С момента основания Музея и по сегодняшний день его фонды пополняются новыми материалами. В настоящее время собрание  Музея насчитывает более 1 миллиона единиц хранения, в т. ч.:  богатые археологические коллекции, фонд изобразительных материалов (серия картин А. М. Васнецова «Старая Москва», произведения И. К. Айвазовского, В. Е. Маковского, В. Д. Поленова, В. И. Сурикова, Л. О. Пастернака, В. В. Нестерова, Р. Р. Фалька и других); коллекции открыток с видами Москвы разных периодов, фотоматериалы. 

Большой интерес представляет фонд документально—письменных источников (личные архивы историков Москвы П. В. Сытина, Б. С. Земенкова, химика Б. И. Збарского и других), архивы городских и государственных организаций, коллекции планов, карт, путеводителей и справочников по Москве, редких рукописных книг, плакатов и афиш. 

Фонд вещественных источников (ткани, фарфор, стекло, оружие, предметы быта, нумизматическая и другие коллекции) дает представление о быте и жизни москвичей на протяжении всей истории города. В научной библиотеке хранятся издания по истории города (свыше 60 тыс. книг, 50 тыс. экз. газет и журналов).