Die Sammlung an originalen antiken Kunstgegenständen umfasst ca. 1500 inventarisierte Objekte. Den größten Anteil hat dabei die Gefäßkeramik. Zahlreiche Beispiele dokumentieren die Entwicklung dieses hochstehenden Kunsthandwerkszweiges, von Gefäßen der mykenischen Frühzeit über griechisch-geometrische, schwarz- und rotfigurig bemalte attische und unteritalische Vasen bis zur römischen Terra Sigillata. Daneben steht ein breites Spektrum von weiteren Kleinkunsterzeugnissen und Gebrauchsgegenständen – Terrakottafiguren, Bronzestatuetten und Bronzeschmuck, Fragmente marmorner Grab- und Votivplastik, Bruchstücke von Fresken und Mosaiken.
Größtenteils basiert die Sammlung auf den Nachlässen, Schenkungen und Ankäufen von Ludwig Roß, Alexander Conze, Heinrich Heydemann und Carl Robert. Mit der so entstandenen Auswahl sollte die durch die Gipsabgüsse von großen Kunstwerken vermittelte Entwicklung der antiken Kunst durch die Anschauung von Originalgegenständen unterstützt werden. In erster Linie ging es dabei um einen breiten Querschnitt, es befinden sich aber auch eine Reihe von Stücken herausragender Qualität oder großer Seltenheit in der Sammlung.
Als Zuwachs aus neuerer Zeit ist die interessante Sammlung des Privatgelehrten Julius Kurth zu nennen, die dem Museum 1992 endgültig als Schenkung überlassen wurde. Sie bereichert besonders die Abteilung der vorderasiatischen und ägyptischen Altertümer. Außerdem konnte im Jahr 2016 mit Unterstützung der Ernst von Siemens Kunststiftung und des Rektorates die kleine Antikensammlung Otto Kerns erworben werden, der von 1907 bis 1931 Professor für Klassische Philologie an der Universität gewesen ist.
Die Bestände des Museums werden in der Datenbank Robertin erfasst, eine Auswahl von 188 Datensätzen ist im Internet abrufbar.