В музее хранятся и экспонируются обширные археологические коллекции эпохи бронзы, раннего железного века, средневековья; фото и письменных источников; собрания нумизматики, рукоделия, одежды и тканей XIX — начала XX вв., металлов, в том числе коллекция самоваров и изделий из меди. Музей располагает богатейшей на юге России коллекцией сарматского золота. Уникальные изделия, найденные в курганах, — золотые украшения, детали конской упряжи, золотая и серебряная посуда, оружие — являются ценностями мирового уровня.
Самым популярным экспонатом музея является единственный в стране скелет слона-трогонтерия, возраст которого — 600 тыс. лет. Азовский музей-заповедник — один из крупнейших музеев юга России. Почти 78 тыс. кв. м. площади, более 320 тыс. экспонатов, самым ранним из которых около 250 миллионов лет.
Азовский музей-заповедник обладает самой богатой палеонтологической коллекцией на всем юге России. Немногие музеи мира могут гордиться такими экспонатами как в Азове — скелетами динотерия (обитавшего на территории Приазовья 8 млн. лет назад) и двух трогонтериевых мамонтов (геологический возраст которых 700-800 тысяч лет). В экспозиции представлены интересные находки: трогонтериевый бобр, слон Громова, винторогая антилопа, ливенцовская лошадь, азовский жираф. Науке они стали известны благодаря тому, что впервые их кости были найдены в донской земле.
Азовский музей-заповедник знаменит в России и за рубежом как центр археологических исследований. Огромная археологическая коллекция достойно представляет культуру многочисленных народов, населявших Донской край в различные времена. В экспозиционном пространстве мирно сосуществуют греческие амфоры и скифские котлы, панцири сарматов и браслеты норманнов, обмундирование хазарского воина и каменные изваяния половцев.
Гордостью музейного собрания является экспозиция «Сокровища кочевников Евразии». На ней представлены более 20 тыс. редких экспонатов с III тысячелетия до нашей эры по XIV век нашей эры. Огромный интерес представляют образцы ювелирного искусства далекого прошлого — изделия из золота и серебра: изысканные скифские вещи, выполненные в «зверином стиле», оружие, золотые пластины, украшавшие ритуальные чаши воинов.
Ценностями мирового уровня являются находки из сарматского клада, датируемые I в. н.э. Роскошные изделия работы греческих и восточных мастеров — парадный меч с ножнами, украшенные фигурками орлов и верблюдов, детали конской упряжи — уникальны. Аналогов в мире не имеют.
На территории музея открыт для посещения интерактивный планетарий, оснащённый современным оборудованием, позволяющим проектировать изображение в формате сферического кино (360-градусный обзор).
