Las Colecciones existentes en el museo corresponden principalmente a piezas de la provincia de Petorca y son de tipo arqueológicas, históricas y etnográficas. Provienen principalmente de donaciones particulares, colecciones privadas (ej. Colección Sr. Orlando Rodríguez Jimeno), estudios arqueológicos sistemáticos financiado por Fondecyt (Proyectos Nº 91-0425, 1930247, 1941236) y Fondart (Proyecto N° 166704) del Ministerio de Educación y rescates arqueológicos (Sitio Escuela Placilla, Quínquimo, Los Duendes, Cachagua,  Pullally y Calle Goenechea). Este patrimonio nos habla de un pasado milenario, que va desde los primeros grupos arcaicos tempranos  de cazadores-recolectores, que otrora habitaron esta tierra, hasta nuestros días.

Las piezas corresponden principalmente a instrumentos elaborados en piedra (Ej. puntas de proyectiles, preformas, raspadores, litos discoidales, piedras horadadas, manos de moler, morteros, buriles, pulidores, adornos, pendientes, pesas de red, boleadoras, pipas, recipientes); cerámica (vasijas de diferentes tamaños y formas –pucos, escudillas, ollas, vasos, jarros, aríbalos-  algunas decoradas, pipas, pulidores); óseo (espátulas, agujas, adornos, anzuelos, puntas de arpón y barbas); madera (vasos, recipientes pequeños, tabletas de alucinógenos, tubo para insuflar, pendientes, adornos); textiles (inkuña, faja –Cultura Arica- ). También existen piezas etnográficas e históricas, a saber: zapatos de cuero de pirquineros, vajillas de bronce, sables, cuchillos, cuentas de collares, flautas chinas y una réplica del chaleco más grande del mundo.

Por otra parte, se cuenta con las colecciones esqueletales del sitio Cementerio Valle Hermoso (69 individuos) y Los Coiles 136 (19 individuos), comuna de La Ligua. Además se dispone de una cantidad importante de material arqueológico, correspondiente a restos de cerámica, de talla lítica (piedra), ecofactuales, y malacológicos, provenientes de distintas excavaciones arqueológicas de la provincia y adscribible a distintos desarrollos culturales de la zona (Ej. Dunas de Longotoma, Pedernales, Alicahue; Sitios arqueológicos tales como, Valle Hermoso, Los Coiles, Pichicuy, Cerro Los Novios, Cabilfrut, Ligua, Escuela Placilla, Quínquimo, Los Duendes de Zapallar, Pullally, Cachagua y Calle Goenechea.