Τα αντικείμενα των συλλογών, τα οποία αριθμούν πάνω από 10.000, προέρχονται κυρίως από ταφικά ανασκαφικά σύνολα (Δερβένι, Σίνδος, Αίνεια, Άκανθος, ανατολικό και δυτικό νεκροταφείο Θεσσαλονίκης κ.ά.) και, σπανιότερα, από οικιστικά (π.χ. Όλυνθος).
Παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία όχι μόνο λόγω του διαφορετικού υλικού κατασκευής τους (λίθινα, μετάλλινα, γυάλινα) αλλά και των διαφορετικών αναγκών και χρήσεων που αυτά εξυπηρετούσαν. Συνδεόμενα είτε με την καθημερινή ζωή (χρηστικά σκεύη, εργαλεία, κοσμήματα κ.ά.), είτε με πιο βίαιες εκδηλώσεις της (επιθετικά και αμυντικά όπλα), είτε με θρησκευτικές πεποιθήσεις και λατρευτικές πρακτικές (αναθήματα, λατρευτικά αγάλματα, τελετουργικά σκεύη, αρχιτεκτονικά μέλη ναών κ.ά.), είτε με τον θάνατο και τις μεταθανάτιες αντιλήψεις (λίθινες σαρκοφάγοι και βωμοί, επιτύμβια ανάγλυφα και στήλες, κτερίσματα κ.ά.), είτε με τον δημόσιο βίο και τη διοίκηση (πορτρέτα ηγεμόνων, τιμητικές επιγραφές, ψηφίσματα κ.ά.), είτε με το εμπόριο και την οικονομία (νομίσματα, ωνές κ.ά.), τα τεχνουργήματα των Συλλογών Μεταλλοτεχνίας, Λιθίνων & Μικροτεχνίας −σαν τα χιλιάδες κομμάτια ενός παζλ− μάς επιτρέπουν να ανασυνθέσουμε την εικόνα μιας πολύ μακρινής και συνάμα μακραίωνης πραγματικότητας, από τα προϊστορικά μέχρι και τα ρωμαϊκά χρόνια.
Συλλογή Λίθινων
Η Συλλογή περιλαμβάνει περίπου 4500 αντικείμενα/μνημεία. Με εξαίρεση έναν αξιόλογο αριθμό λίθινων αντικειμένων της προϊστορικής εποχής, η συντριπτική πλειονότητα των έργων της Συλλογής χρονολογείται από τον ύστερο 6ο αι. π.Χ. έως τα πρώιμα παλαιοχριστιανικά χρόνια. Τα έργα αυτά αποτελούν δείγματα παραγωγής κυρίως των τοπικών εργαστηρίων γλυπτικής, καθώς και αθηναίων καλλιτεχνών, ενώ πολλά είναι εισαγωγές από την Αττική και δημιουργίες άλλων καλλιτεχνικών εργαστηρίων του βορειοελλαδικού χώρου.
Η Συλλογή περιλαμβάνει αγάλματα και αναθηματικά ανάγλυφα από ιερά θεών στην πόλη και την περιοχή της Θεσσαλονίκης, αυτοκρατορικά πορτρέτα και εικονιστικούς ανδριάντες που συσχετίζονται με την άσκηση της αυτοκρατορικής λατρείας στη ρωμαϊκή εποχή, δείγματα της γλυπτής διακόσμησης δημοσίων κτηρίων και του ανακτορικού συγκροτήματος του Γαλερίου, καθώς και ένα αξιόλογο σύνολο ιδιωτικών εικονιστικών προτομών και ταφικών αναγλύφων που μαρτυρούν την ακμή της τοπικής κοινωνίας.
Πλούσια και η επιγραφική συλλογή του Μουσείου, μέρος της οποίας έχει δημοσιευτεί στη σειρά των Inscriptiones Greacae.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η λεγόμενη «Συλλογή Ραιδεστού» που συγκρότησε ο Θρακικός Φιλεκπαιδευτικός Σύλλογος της Ραιδεστού (έτος ίδρυσης 1871) και περιλαμβάνει αρχαιότητες από διάφορες περιοχές της Θράκης, τις οποίες μετέφεραν το 1922 στη Θεσσαλονίκη ως κειμήλια οι πρόσφυγες της Ανατολικής Θράκης.
Συλλογή Τοιχογραφιών
Περιλαμβάνονται τμήματα τοιχογραφιών από κτιστούς τάφους (κιβωτιόσχημους και μακεδονικούς), που ανασκάφηκαν στην περιοχή του Δερβενίου (αρχαία Λητή) και της Νέας Μηχανιώνας (αρχαία Αίνεια ) και χρονολογούνται στον 4ο και 3ο αιώνα π.Χ. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ένας κτιστός κιβωτιόσχημος τοιχογραφημένος τάφος, που ανασκάφηκε στην Αίνεια και εκτίθεται ολόκληρος στο Μουσείο. Σημαντικά είναι επίσης και τα τμήματα ρωμαϊκών τοιχογραφιών από το ανακτορικό συγκρότημα του Γαλερίου και από άλλα κτίρια ρωμαϊκών χρόνων της Θεσσαλονίκης.
Συλλογή Ψηφιδωτών
Τη συλλογή ψηφιδωτών απαρτίζουν ψηφιδωτά δάπεδα προερχόμενα ως επί το πλείστον από ανασκαφές σε οικόπεδα του κέντρου της πόλης της Θεσσαλονίκης, όπου αποκαλύφθηκαν αστικές κατοικίες αλλά και λαμπρά δημόσια κτίρια. Άλλοτε απεικονίζονται πολυπρόσωπες παραστάσεις με μυθολογικό περιεχόμενο, άλλοτε τα θέματα είναι καθαρά διακοσμητικά, με γεωμετρικά ή φυτικά σχέδια, ενώ δεν λείπουν οι αλληγορικές και συμβολικές σκηνές. Στη συλλογή περιλαμβάνονται πολύ σημαντικές συνθέσεις, όπως ο μυθικός γάμος του Διονύσου με την Αριάδνη (3ος αι. μ.Χ), το οποίο προέρχεται από την αίθουσα τρικλινίου πλούσιας κατοικίας και εκτίθεται σε περίοπτη θέση της μόνιμης έκθεσης του μουσείου. Χρονολογικά τα ψηφιδωτά της συλλογής του Μουσείου εκτείνονται από τον 2ο ως τον 4ο αι. μ. Χ, περίοδο ακμής της ρωμαϊκής Θεσσαλονίκης.
