Основы фондовых и экспозиционных коллекций музея, насчитывающих более 108 тысяч единиц хранения в виде коллекций по археологии, палеонтологии, этнографии, зоологии, минералогии, нумизматике, фотодокументов, естественноисторических и историко-бытовых предметов были заложены еще при Статистическом комитете и Семипалатинском Подотделе Русского Географического общества в конце XIX – начале ХХ веков. Среди них имеются и рукописи, Обзоры Семипалатинской области (1882–1910), Памятные книжки, адрес-календари, атласы и карты, Записки Семипалатинского Подотдела Русского Географического Общества (1903–1933).
Окаменелые раковины моллюсков различных видов, отпечатки фрагментов растений на сланцах, а также фрагмент части черепа пещерного медведя, шерстистого носорога и бизона, бивни, зубы и позвонки мамонта, панцирь окаменелой черепахи, обнаруженные в основном на берегу Иртыша, всего более 300 палеонтологических находок, составляют палеонтологическую коллекцию музея.
Животный мир Восточно-Казахстанской области является одним из самых многообразных. Благодаря разнообразному ландшафту и климатическим условиям на территории области обитают разные виды животных. Фонды музея содержат большую зоологическую коллекцию из чучел животных и различных видов птиц, а также исчезающие и редкие виды флоры и фауны, вошедшие в Красную Книгу Республики Казахстан, богатейшую коллекцию рогов парнокопытных животных, обитающих на территории региона.
В экспозиции зала «Природа» выставлена коллекция насекомых, включающая некоторые виды бабочек и жуков, собранная в 1883 году ученым-зоологом Виктором Селевиным, изучавшего фаунистику Семипалатинска.
Богатство недр нашего региона отражено образцами минералов, полезных ископаемых, выставленных на экспозициях. Огромный интерес представляет коллекция минералов, собранная известными краеведами братьями Белослюдовыми еще в конце ХІХ – начале ХХ веков.
Археологические исследования, проводившиеся в Прииртышских степях, дали богатый материал эпохи камня, бронзы и раннего железного века. Археологическую коллекцию музея составляют многочисленные каменные орудия труда: рубила, мотыги, нуклеусы, скребки, тесла, микролиты, ножевидные пластинки и т.д. Коллекция предметов эпохи бронзы – керамические сосуды, наконечники стрел, бронзовые ножи, шила, орудия рудокопов. Особый интерес вызывает разновидная коллекция ювелирных украшений, датируемая эпохой бронзы.
В зале «Археология» выставлены каменные жертвенники, бронзовые ножи и кинжалы нескольких разновидностей, кельты и другие предметы древности.
В І тысячелетии до нашей эры, в эпоху раннего железа человек научился уже изготавливать орудия труда из железа. Об этом свидетельствуют обнаруженные в результате раскопок железные наконечники стрел, мечи, сабли, отдельные фрагменты конской сбруи, что на сегодняшний день составляет коллекцию экспонатов эры раннего железа.
Золотой фонд музея составляютколлекции из изделий народного ремесла — женские национальные ювелирные украшения, изготовленные из серебра, драгоценных и полудрагоценных камней. Разных форм браслеты, серьги, кольца и перстни, пряжки-застежки, пуговицы, пояса, подвески и нагрудные женские украшения выделяются богатством отделки.
Коллекциям старинных и современных ювелирных изделий мастеров-зергеров Восточного Казахстана присущи простота, соразмерность форм и сдержанность декора. В украшениях также присутствуют элементы космогонического стиля: луна, звезда, месяц, полумесяц. С древнейших времен распространен вид женских украшений в форме полумесяца – это массивные и висячие, а также литые и дутые серьги.
Интересна коллекция старинной национальной одежды, предметов быта казахского народа, оружия казахских батыров.
Снаряжение верхового коня является одним из наиболее значимых элементов традиционной культуры степных скотоводов-кочевников. Одним из коллекционных предметов музея является конское убранство, содержащее мужские и женские разновидности седла, выполненные мастерами ХІХ – начала ХХ вв.
Большое значение у казахов приобрели домашние ремесла, связанные с обработкой продуктов животноводства. Предметами ежедневного обихода были многочисленные изделия из кожи, дерева – сосуды разных форм для хранения еды и напитков. Обычно каждая семья самостоятельно занималась выделкой шкур, получаемых как от домашних животных, так и в результате охотничьего промысла. Существуют разные виды обработки шкуры – для изготовления одежды, обуви, упряжи. Из кожи делали даже посуду, например, удобные для дороги фляжки, подойник для доения кобылиц, чехлы для пиал.
Особое место в экспозиции и собрании фонда занимает коллекция музыкальных инструментов, часть из которых относится к концу ХІХ – началу ХХ вв., большая часть которой выполнена современными этнографами прикладниками в стиле мастеров ХІХ века. К примеру, в зале музея выставлен один из старинных образцов кобыза со струнами из конского волоса, относящийся ко второй половине ХІХ века. Его видел известный путешественник П.С. Паллас, бывавший в этих краях. Время поступления и фамилия человека, сдавшего эту вещь, неизвестна. Сейчас это один из ценных экспонатов музея, и мы замечаем, как посетители подолгу любуются такими инструментами.
