Muzeum posiada w swych zbiorach prawie 3 tys. muzealiów etnograficznych i historyczno-artystycznych. Obejmują polskie ludowe instrumenty, instrumentarium niemieckie, austriackie, czeskie, włoskie, francuskie czy rosyjskie, instrumenty, które wyszły już z powszechnego użycia, a które używane były przez muzykantów wiejskich, a także rekonstrukcje instrumentów, które znane są tylko z przekazów źródłowych. Ma również oryginalne destrukty i niezwykle prymitywne, wręcz dziwaczne instrumenty ludowe, które w swej „prostocie” są materialnym świadectwem tkwiącej w człowieku ogromnej potrzeby kontaktu z muzyką, prezentacją skali ludzkich możliwości rozpiętej pomiędzy ideą a realizacją. Poczynając od dłubanych instrumentów smyczkowych rodzimych ludowych twórców i skomplikowane, różnorodne harmonie z polskich warsztatów, po włoskie i portugalskie mandoliny, gruszkowate lutnie, szwajcarskie i niemieckie pozytywki, francuskie trąbki czy helikony.

Wśród pierwszych instrumentów zakupionych w 1969 r. do zbiorów przez szydłowieckie muzeum były skrzypce Stanisława Wnuka i Mariana Zdziebko ze Sroczkowa k. Pacanowa. W tym czasie pozyskano też wyjątkowo cenny warsztat stolarsko-lutniczy braci Jana i Stanisława Rafalskich ze wsi Jagodne k. Skarżyska-Kamiennej. Pracownia Rafalskich działała od końca XIX w., wykonywano w niej skrzypce dłubane i klejone. Pierwsze instrumenty budował ich ojciec Józef, który terminował u wybitnego lutnika Władysława Barańskiego. Pozyskano również cały warsztat z narzędziami oraz modele przedstawiające etapy budowy skrzypiec i basów dłubanych. Do bardzo cennych zakupów z pierwszych lat gromadzenia zbiorów należy kolekcja basów kaliskich zgromadzonych przez dra Jarosława Lisakowskiego z Poznania w trakcie badań terenowych w latach 1959-1961. W jego zbiorze znalazł się wyjątkowy egzemplarz dłubanych basów dwustrunnych z XIX w. pochodzących ze wsi Krzemionka. W roku 1990 muzeum zakupiło cenną kolekcję instrumentów i narzędzi lutniczych słynnego lubelskiego lutnika Franciszka „Borówki” Borowieckiego oraz jego syna Kazimierza. Kolekcja ta obejmuje m.in.: skrzypce, cytry, trąbki oraz warsztat lutniczy, w tym: ławę stolarską, narzędzia lutnicze, formy do budowy skrzypiec i wiolonczeli. Do najciekawszych instrumentów z tej kolekcji należą skrzypce z 1844 r. wykonane przez lutnika z Krasnobrodu i skrzypce z 1887 r. stworzone przez Fr. Steiskala.

Obecnie w zbiorach znajduje się ponad 200 instrumentów skrzypcowych o różnych formach — od wyjątkowych inwencji twórczych ludowych budowniczych, po instrumenty wykonywane przez profesjonalnych lutników, tworzone w manufakturach oraz seryjne egzemplarze fabrycznej produkcji.

W latach 1983-1989 MLIM pozyskało kolekcję harmonii Grosingerów i Lewandowskich, którą rekomendowało Stowarzyszenie Akordeonistów Polskich. Ten zbiór przez lata był starannie powiększany i obecnie liczy ponad 220 instrumentów. Kolekcja harmonii jest największą w polskich zbiorach muzealnych. Znajdują się w niej głównie harmonie polskie. Najliczniej reprezentowane są instrumenty z okresu apogeum ich produkcji w kraju (lata 1930-1950) oraz z 2. połowy XX w. Znaczna część kolekcji to także instrumenty z 2. połowy XIX oraz początku XX w. W tym zbiorze harmonii licznie reprezentowane są też egzemplarze z Niemiec, Austrii, Rosji i Włoch. Omawiana kolekcja jest imponująca, nie tylko ze względu na jej liczebność, ale też z różnorodności typów tego instrumentu i reprezentacji warsztatów, w których powstały. W Polsce do końca lat 30. XX w. harmonie wytwarzane były w ponad 30 ośrodkach. Niemal wszystkie przykłady tej produkcji, jak i produkcji powojennej znajdują się w szydłowieckich zbiorach.

Muzeum ma również w zbiorach unikatową kolekcję dud, która liczy 65 egzemplarzy pochodzących z XIX i z XX w. i jest to największy zbiór w polskich zasobach muzealnych. Wyróżnić tu należy kozła białego nieznanego twórcy z 1876 r. oraz gajdy istebniańskie z początku XX w.

W roku 2014 szydłowieckie muzeum pozyskało do zbiorów skarby polskiej etnomuzykologii — kolekcję Mariana i Jadwigi Sobieskich, wybitnych znawców tego tematu. Kolekcja instrumentów gromadzonych przez Sobieskich w części znana jest z publikacji w „kanonie” polskiej literatury etnomuzykologicznej (Jadwiga i Marian Sobiescy. Polska muzyka ludowa i jej problemy, wybór prac, pod red. L. Bielawskiego, Kraków 1973; S. Olędzki, Polskie instrumenty ludowe). Przez lata przechowywana była w Instytucie Sztuki PAN, po śmierci Jadwigi Sobieskiej znalazła się w posiadaniu spadkobierców. Jest to zbiór kilkudziesięciu muzycznych artefaktów, głównie ludowych instrumentów polskich, środkowoeuropejskich i bałkańskich. Są to m.in.: lira korbowa z końca XIX w. lub początku XX w. z Rzeczniówki k. Krzemieńca (Ukraina), cymbały rzeszowskie z 1. połowy XX w., skrzypce i basy z lat 20. XX w. J. Rafalskiego ze wsi Jagodne, skrzypce — zabawka S. Klejnasa z 2. połowy XX w., liczące pół wieku mazanki Grocholskiego, dudy żywieckie, dudy wielkopolskie i elementy dud i kozłów wielkopolskich (czary głosowe i piszczałki) z 1. połowy XX w. W kolekcji znalazły się także rzeźby ludowe o tematyce muzycznej.

Od roku 1978 muzeum zaczęło wzbogacać zbiory także o eksponaty historyczne i artystyczne, obejmujące m.in.: materiały pisane, ikonografię, dokumenty, meble, obrazy, przedmioty codziennego
użytku, detale architektoniczne. Najstarszymi eksponatami w tym zbiorze są: kafle z lat 1510-1520, fragmenty płytek posadzkowych z sal zamkowych czy detale kamieniarki okiennej i drzwiowej, datowanej na XVII w. Obiekty te pozyskano z prac badawczych, prowadzonych na terenie zamku Szydłowieckich i Radziwiłłów w 2. połowie XX w.

W zbiorze historycznym wyróżniają się zabytki związane z działalnością cechów szydłowieckich: XVI-wieczne dokumenty ustalające przywileje dla cechów, m.in. dokument z przełomu XVI i XVII w. Spytka z Tarnowa — kasztelana radomskiego, oraz księgi poszczególnych cechów szydłowieckich od początku XVIII do pierwszych lat XIX w. Muzealia te są niezwykle przydatne do badań nad organizacją rzemiosła szydłowieckiego w XVII i XVIII w., aż do połowy lat 90. XX w. Naukowe opracowywanie tego zbioru pozwala dziś uzupełniać luki w historii Szydłowca.

Natomiast w zbiorze artystycznym znajdują się dwa obrazy Władysława Aleksandra Maleckiego — artysty zmarłego w 1900 r. w Szydłowcu i związanego w ostatnich latach życia z tym miastem. Cennymi eksponatami są też obrazy o tematyce muzycznej z różnych epok. Najstarszy z nich to dużych rozmiarów obraz olejny Koncert w parku datowany na początek XVIII w. Pod koniec 2012 roku muzeum zakupiło wspomniany już obraz Abrahama Weinbauma Muzykujący Żyd. W roku 2014 muzeum otrzymało z Ministerstwa Kultury i Dziedzictwa Narodowego dofinansowanie na zakup obrazu Johanna Petera Bredta Portret kobiety w czarnej sukni z 1820 r. Pozyskany obraz ma typowe cechy malarstwa Bredta. Zwraca uwagę precyzja, z jaką oddana jest faktura — jedwabiu, koronek, piór i innych elementów dekoracyjnych, w tym umieszczonej na drugim planie — harfy. Kolekcja muzeum jest systematycznie powiększana. W ostatnich 5 latach (do końca 2014 r.) zakupiono 35 eksponatów i pozyskano 66 darów, a do końca lipca 2015 r. zakupiono jeden obraz i otrzymano 24 dary. Muzealia te powiększyły kolekcje dwóch działów: Ludowych Instrumentów Muzycznych oraz Zbiorów Historycznych i Sztuki. W tym samym czasie muzeum zleciło konserwację 97 eksponatów, które odzyskały swój pierwotny wygląd. W bieżącym roku poddano zabiegom konserwatorskim 51 eksponatów — jeden obraz i 50 instrumentów.

Wyposażenie pomieszczeń magazynowych w nowe szafy i regały było możliwe dzięki dofinansowaniu projektu z Funduszy Europejskich — „Instrumenty… — zobaczyć i usłyszeć tradycję — zwiększenie walorów estetyczno-edukacyjnych oraz poprawa funkcjonalności Muzeum Ludowych Instrumentów Muzycznych w Szydłowcu poprzez modernizację przestrzeni ekspozycyjno-magazynowych”. Szafy i regały dla poszczególnych grup zabytków tak zaprojektowano, aby najwydajniej wykorzystać niewielką przestrzeń magazynów, a jednocześnie z myślą o rozwoju muzealnych kolekcji. Stworzenie nowoczesnych mebli magazynowych było niezbędne, aby gromadzone przez lata zbiory muzeum były przechowywane w odpowiednich warunkach i w bezpieczny sposób.