Коллекция музея насчитывает около 50 тыс. музейных предметов. Экспозицию открывают залы истории окрестных сел и деревень, частично вошедших в черту города или полностью поглощенных возникшим городом (усадьба Белкино; хутор Бугры и др.).
Музей истории Обнинска объединяет в себе функции двух музеев – краеведческого и художественного. В выставочном зале музея регулярно устраиваются художественные выставки. Работает Проект «Знакомство жителей города с творчеством художников города, региона и известных художников страны». Коллекция произведений искусства в собрании музея насчитывает около 3 тыс. единиц.