В основу экспозиций музея были положены первые коллекции минералов, горных пород и окаменелостей, подаренные отдельными геологами, горными инженерами, общественными деятелям, высшими учебными заведениями. Большую палеонтологическую коллекцию пожертвовали музею герцог Максимилиан Лейхтенбергский и профессор Петровско-Разумовской академии Г.А. Траутшольд. Богатую коллекцию руд месторождений Сибири подарил музею горный инженер П.П. Иванов. З.М. Цибульский (бывший Томский городской голова) пожертвовал музею коллекцию минералов, характеризующих месторождения Восточной Сибири. Большая петрографическая коллекция была подарена Р. Гельмгакером.
За годы существования минералогический музей систематически пополнялся многими ценными коллекциями. Это коллекции минералов и руд полиметаллических месторождений Рудного Алтая, железорудных Алтае — Саянской области, оловорудных и полиметаллических месторождений Средней Азии и Дальнего Востока, редкометальных пегматитов Монголии, Памира, Енисейского кряжа.
Выставка «Физические свойства минералов» иллюстрирует цвет, твердость, хрупкость, спайность, блеск природных химических соединений.
Выставка «Природные многогранники» раскрывает многообразие морфологии кристаллов минералов (пирита, кварца, берилла, флюорита, апатита и других).
Выставка «Синтетические минералы» отражает определенные достижения в области синтеза аналогов минерального сырья, в частности, синтетического кварца, рубина, изумруда, рутила, шпинели, опала, слюды и других минералов, представляющих интерес для науки и техники.
Специальная витрина посвящена минеральному богатству Томской области. В ней выставлены образцы бурого угля, нефти, торфа, железной руды, опала, разнообразных строительных материалов и др.
В музее систематически ведется регистрация всех поступающих образцов (каталог). На данный момент коллекции музея насчитывают более 50 тыс. образцов. Поэтому начата работа по созданию банка данных в электронном варианте.
