Muzeum Okręgowe w Sandomierzu od początku swojej działalności gromadzi i zachowuje dla przyszłych pokoleń materialne ślady pobytu na Ziemi Sandomierskiej ludzi w zamierzchłych czasach, począwszy od epoki kamienia. Zgromadzone zabytki archeologiczne pochodzą z badań wykopaliskowych, prowadzonych na stanowiskach w mieście i w regionie sandomierskim, w tym z badań ratowniczych, z poszukiwań powierzchniowych oraz z odkryć przypadkowych – z przekazów od osób prywatnych i stowarzyszeń. Wśród tysięcy artefaktów, reprezentujących wszystkie epoki od paleolitu po okres nowożytny, dominują materiały kultur neolitycznych i wczesnobrązowych, co według aktualnego stanu wiedzy odzwierciedla strukturę osadnictwa na lessach sandomiersko-opatowskich. Stosunkowo liczne są też zabytki z okresu wczesnego średniowiecza.

Dział gromadzi przedmioty kultury materialnej, duchowej i społecznej mieszkańców Ziemi Sandomierskiej. Duża różnorodność i specyfika nagromadzonych zabytków pozwala na podkreślenie odrębności naszego regionu, daje pojęcie o budownictwie, rolnictwie, hodowli, rybołówstwie, rzemiosłach dawnych, wierzeniach, zwyczajach, obrzędach dorocznych i rodzinnych. Dział prowadzi dokumentację fotograficzną obiektów występujących w terenie. Współpracuje z lokalnymi zespołami obrzędowymi i śpiewaczymi, twórcami ludowymi, rękodzielnikami, gminnymi ośrodkami kultury, kołami gospodyń wiejskich. Realizuje nagrania filmowe, archiwizuje i popularyzuje różnorodne aspekty kultury ludowej: rodzime tradycje (odpusty, jarmarki, dożynki), dawne zwyczaje i obrzędy, folklor słowno-muzyczny. Od 2003 roku organizuje dla gmin powiatu sandomierskiego konkurs o nazwie „Nasze sandomierskie – kulinaria regionalne”, propagujący wiejskie tradycje kulinarne regionu świętokrzyskiego.

Gromadzone są w nim zbiory w zakresie malarstwa, grafiki i rysunku oraz rzemiosła artystycznego. Kolekcja malarstwa grafiki i rysunku obejmuje sztukę polską od XVIII wieku do czasów współczesnych. W jej obrębie można wyróżnić następujące działy: - zbiór dotyczący ikonografii Sandomierza - powstały z myślą o zgromadzeniu jak najpełniejszej dokumentacji ikonograficznej miasta, począwszy od najstarszych zachowanych widoków, aż do obrazów tworzonych współcześnie; - kolekcja malarstwa polskiego (XVIII - XX wiek)z przewagą tematyki portretowej, także pejzaże i martwe natury - gromadzone z myślą o powstaniu stałej galerii reprezentacyjnego malarstwa polskiego; - ponadto w zbiorach działu znajdują się dwie znaczące kolekcje pochodzące z przekazów autorskich - kolekcja malarstwa i grafiki Marii i Stanisława Dawskich oraz kolekcja malarstwa i rysunku Ewy i Jerzego Ćwiertniów. W dziedzinie rzemiosła artystycznego gromadzone są głównie zabytki z zakresu złotnictwa i konwisarstwa, od XVII wieku do czasów współczesnych, zarówno z terenu Polski, jak i innych krajów europejskich (Rosji, Niemiec, Francji i Austrii).

Muzealia w Dziale Historycznym /do 1979 r. Dział Historyczno-Artystyczny/ zaczęto gromadzić od 1956 r., czyli od momentu reaktywowania Muzeum. Ze zbiorów dawnego Muzeum Ziemi Sandomierskiej przejęta została, ocalała z zawieruchy wojennej jedynie w niewielkim stopniu, kolekcja numizmatyczna. Od tego czasu Dział koncentruje się na gromadzeniu archiwaliów dokumentujących historię Sandomierza i Ziemi Sandomierskiej oraz muzealiów z zakresu sfragistyki, falerystyki, militariów, medalierstwa, kartografii, sztandarów i fotografii, a także kontynuuje powiększanie zbiorów numizmatycznych.

     Dział Literatury to jedyna na naszym terenie placówka gromadząca i zabezpieczająca archiwalia po pisarzach, artystach i działaczach kulturalnych związanych z Sandomierszczyzną w przeszłości i współcześnie. W zbiorach działu znajdują się między innymi pamiątki po Jarosławie Iwaszkiewiczu, Stanisławie Młodożeńcu, Romanie Kosele, Aleksandrze Patkowskim, Wincentym Burku, Julianie Kawalcu, Adamie Bieniu, Stanisławie Balińskim, Ludmile Marjańskiej i wielu innych.

     Kolekcję uzupełniają przedmioty o charakterze artystycznym (meble, zdjęcia, obrazy, przedmioty osobiste). Wśród nich na szczególną uwagę zasługuje portret Stanisława Konarskiego z XVIII w. oraz obszerna teka z rysunkami dawnego Sandomierza i okolic autorstwa Zbigniewa Karpińskiego.

Zajmuje się popularyzacją wystaw i imprez organizowanych przez działy naukowe. Do zadań działu należy w szczególności współpraca z mediami, reklama wydarzeń muzealnych, pozyskiwanie funduszy na realizację programów oraz działalność edukacyjną wśród młodzieży. Ponadto dział zajmuje się organizacją i prowadzeniem imprez promujących Muzeum.

Zbiory Biblioteki to ponad 5330 woluminów, 1700 katalogów wystaw muzealnych z całego kraju (ze szczególną dbałością gromadzone są katalogi wystaw własnych Muzeum), 332 tytuły czasopism. Profil gromadzenia wyznacza struktura Muzeum, czyli reprezentowane w nim dyscypliny. Księgozbiór zatem jest fachowy, służący do opracowywania zbiorów, pracy badawczej i ekspozytorskiej. Szczególnie ważnym jest gromadzenie druków dawnych i współczesnych, związanych z dziejami Sandomierza i Ziemi Sandomierskiej. Biblioteka posiada kolekcję białych kruków, wśród których najcenniejsze są XVIII wieczne starodruki pochodzące z działającej od 1716 roku drukarni sandomierskiego Kolegium Jezuickiego. Ta niewielka drukarnia do 1774 roku wydała 167 pozycji. Tłoczyła druki religijne, okolicznościowe, kalendarze, podręczniki szkolne a także dzieła literackie i naukowe.

Pracownia konserwacji zabytków mieszcząca się w XV- wiecznych murach piwnic zamkowych, posiadająca jednak dzienne światło, dysponuje specjalistycznym sprzętem
i zapewnia opiekę konserwatorską obiektom znajdującym się stale na Zamku, jak również zabytkom wypożyczanym na wystawy. W muzeum przeprowadzane są zabiegi konserwatorskie i restauracja malarstwa sztalugowego, rzeźby polichromowanej, jak również prace pozłotnicze (w tym na pulmentach tradycyjnych złotem płatkowym na poler i na mat), kopie obrazów, konserwacja ram. W pracowni wykonywane są dokumentacje fotograficzne, zdjęcia w luminescencji wzbudzonej promieniowaniem UV i w podczerwieni. Dyplomowany konserwator, pracownik działu, wykonuje również kosztorysy konserwatorskie. Do jego zadań należy kontrola stanu wilgotności i temperatury w magazynach zamkowych i salach ekspozycyjnych.

Projekt utworzenia Pracowni został zrealizowany w ramach programu Dziedzictwo kulturowe – priorytet 2 – Wspieranie działań muzealnych, Utworzenie pracowni konserwatorskiej w Muzeum Okręgowym w Sandomierzu, dzięki dotacji finansowej Ministra Kultury i Dziedzictwa Narodowego wynoszącej 48 017, 58 zł. Całkowity koszt zadania wyniósł 63 314, 80 zł.