Rauman museon kokoelmat muodostuvat esine- ja valokuvakokoelmista sekä arkistosta. Esineitä on noin 35 000,  kuva-aineistoja puolestaan noin 87 000. Arkiston muodostavat erilaiset asiakirjat ja museaaliset kirjat. Arkistoon on luetteloitu yli 40 000 arkistoyksikköä. Ajallisesti kokoelmiin on kertynyt aineistoa esihistorialliselta ajalta nykypäivään. Alueellisesti Rauman museo on keskittynyt Rauman seutuun mukaan lukien Eurajoki, Pyhäranta ja Laitilan pohjoisosien kylät. Nykyisin keräystoiminta keskittyy Rauman kaupungin alueelle.

Osa museon kokoelmista on esillä myös muissa museoissa. Laaja merenkulkuun liittyvä kokoelma on talletettuna lähes kokonaisuudessaan Rauman merimuseoon. Merkittävä osa museon taidekokoelmasta on puolestaan talletettuna Rauman taidemuseoon.