Праисторическата епоха е представена от оръдия на труда от камък, кремък и кост, сред които и единственият открит в Европа каменен палешник от неолита; глинени съдове; антропоморфна и зооморфна пластика.
Античният материал включва различни архитектурни детайли, епиграфски надписи, стенописи, мозайки, обемна пластика, строителна и битова керамика, стъкло, оръдия на труда, въоръжение, накити и др.
Сред археологическите находки от периода на Средновековието значима е сграфито керамиката. Производството й в София започва най-вероятно през ХІІ в., а разцвета й е през ХІV в.
Музеят за история на София е един от първите в България, който започва да събира артефакти от османския период. Разполага с богата колекция от източен фаянс и венецианско стъкло, както и с голяма сбирка от глинени лули.
Археологически фонд – съдържа движими културни ценности, датирани в периода VI-то хил. пр. Хр. – ХVІІІ в., открити при археологически проучвания на територията на София и Софийско.
Нумизматичният фонд съдържа над 6 500 бр. монети и банкноти от различни исторически периоди, както и всички емисии монети от Освобождението до днес. Интерес представляват монетите, върху които присъства и името на античния град – CEPΔΩΝ или ΟΥΛΠΙΑС СΕΡΔΙΚΗС.
Най-многобройни в Историко-етнографския фонд са колекциите, които представят градската култура от края на ХІХ в. до наши дни – превозни средства и мебели, облекла и аксесоари, домашна посуда, часовници, детски играчки, занаятчийски и домашни инструменти, предмети от царския дворец в София. Съхраняват се и предмети, свързани с живота и дейността на видни софийски личности.
Художествената сбирка се състои от произведения, показващи София през погледа на творци от различни епохи. Към нея се отнася и колекцията от икони и стенописи от Софийската Мала света гора.
Снимков фонд – богата колекция с повече от 8 000 оригинални фотографии на София и софиянци от Възраждането до средата на ХХ в. Те са ценно свидетелство за промяната в облика на града, за важни обществени събития, за облеклото и стила на живот на столичани.
Фонд "Документи" съхранява значими материали за развитието на столицата – правилници, наредби, покани за официални събития, архитектурни скици, афиши и други от Освобождението до средата на ХХ в. Тук се пази и Боянският поменик.
Фонд "Най-нова история" включва документи и вещи от периода след Втората световна война до днес. Тук се пази "Златната книга на София", в която са записани впечатленията на видни личности, официални гости на столичния град.
Колекцията "Градско облекло и аксесоари" включва облекла от възрожденската епоха до наши дни и аксесоарите към тях – шапки, чадъри, чанти и други. Важно място в колекцията заемат балните, вечерни и сватбени облекла от края на ХІХ в. и началото на ХХ в.
В колекция "Превозни средства" най-голям дял заемат тези от Двореца. Те постъпват в музея чрез киноцентъра в Бояна. Един от интересните експонати е ландото на Алеко Богориди паша – генерал-губернатор на Източна Румелия. Интерес предизвиква и златната каляска – стил Людвиг ХVІ, която е докарана от Версай за сватбата на цар Фердинанд и княгиня Мария Луиза през 1893 г. Мерцедесът на цар Фердинанд от 1905 г., притежание на Музея за история на София, е първият автомобил в царския автопарк.
Колекция "Часовници" включва паркетни, стенни, настолни, джобни и ръчни часовници от различни типове и модели.
Колекция "Оръжие" съхранява редки образци. Някои от оръжията са принадлежали на известни българи и на членове на царското семейство.
Богата е сбирката от детски играчки – шевни машини, грамофони, фотоапарати, кегли, сервизи, състезателни игри и др. Най-ранна е бебешката глава на кукла, открита при разкопките на източната порта на Сердика от ІІІ-ІV в.
Музеят за история на София притежава богата колекция от традиционни облекла и над 500 оригинални шевици. Манофилите са от ХVІІІ в., а най-ранните шевици са от началото на ХІХ в.
Колекция "Ювелирни и златарски произведения" включва традиционни накити – пафти, прочелници, подбрадници, чомолушки, трепки, гривни-кубелии, пръстени, както и изделия с филигран – зарфове, подстакани, дамски колани, брошки, табакери, цигарета и други.
Интересна е и сбирката на предмети от градския бит от края на XIX до средата на XX в. Към нея се отнасят мебели, посуда, музикални инструменти, домакинска техника и други.
Музеят за история на София разполага с една от най-богатите колекции от предмети, принадлежали на царското семейство.
