Kainuun Museon kokoelmat koostuvat esine- ja valokuvakokoelmista sekä museoarkistosta ja arkistokirjastosta. Museon kokoelmat ovat karttuneet pääosin lahjoituksina. Kainuun Museon tallennustoiminta painottuu vahvasti oman alueen eri elämänalueiden ja -ilmiöiden tallentamiseen. Museon kokoelmiin otetaan aineistoa, jolla on yhteys Kainuuseen, esimerkiksi valmistuksen tai käytön kautta, ja joka kuvastaa kainuulaista arkipäiväistä elämää eri vuosikymmeninä.
Esinekokoelma
Museon esinekeruu alkoi heti Kainuun museoyhdistyksen perustamisen jälkeen vuonna 1930. Yhdistys antoi kahdelle stipendiaatille, Salomo Pulkkiselle ja Vietti Toloselle, tehtäväksi suorittaa keräystä eri puolilla Kainuuta. Lisäksi museon esinekokoelma karttui Pohjois-Pohjalaisen Osakunnan kotiseuturetkikunnan ansiosta vuonna 1937. Aluksi pääpaino esinekokoelman kartuttamisessa oli vahvasti talonpoikaisessa kulttuurissa, kuten vanhoissa maatalousvälineissä.
Museotoiminnan siirtyessä yhdistykseltä kaupungille vuonna 1977 esinekokoelmassa oli hieman yli 3000 tallennetta; nykyisin esinekokoelma käsittää yli 21 000 objektia. Esinekokoelmat ovat myös monipuolistuneet viime vuosikymmeninä ja kokoelmiin on otettu esimerkiksi kaupunkikulttuuriin kuuluvaa aineistoa sekä lähivuosikymmenten esineistöä.
Arkistokokoelma
Museon arkistoaineisto koostuu muun muassa erilaisten yhdistysten ja yhteisöjen sekä yksityisten henkilöiden asiakirja-aineistoista. Nykyään tällaiset asiakirja-aineistot ohjataan kuitenkin mieluummin kaupunginarkiston yhteydessä toimivaan kotiseutuarkistoon, johon on tallennettu koko Kainuun maakuntaa koskevaa aineistoa sekä yhteisöiltä että yksityisiltä henkilöiltä. Museokin tallentaa silti edelleen esimerkiksi erilaisia painotuotteita (kutsuja, mainoksia jne.), joiden lisäksi arkistokokoelmaan kuuluu arkistokirjasto, jossa on erilaisia vanhoja julkaisuja (kirjoja ja pienpainatteita).