Rauman museon kokoelmat muodostuvat esine- ja valokuvakokoelmista ja arkistosta. Esineitä on noin 28 500, valokuvia, negatiiveja, dioja ja digitaalisia kuvatallenteita on yli 50 000. Arkiston muodostavat asiakirjat ja museokirjat. Arkistoon on luetteloitu 13 700 asiakirjaa tai arkistokokonaisuutta, sekä useita satoja kirjoja. 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 merkittävistä kokoelmista on esillä myös muissa museoissa. Laaja merenkulkuun liittyvä kokoelma on talletettuna lähes kokonaisuudessaan Raumanmeren merimuseoyhdistyksen ylläpitämään Rauman merimuseoon. Merkittävä osa museon taidekokoelmasta on puolestaan talletettuna Rauman taidemuseoon.