Die Sammlung von Abgüssen antiker Freiplastiken und Reliefs füllte zur Zeit Carl Roberts drei große und vier kleinere Sammlungssäle. Mit der Reduzierung der Ausstellungsfläche 1928 und 1956 auf ein Drittel ist ein größerer Teil der Sammlung jetzt in Magazinräumen im Dachgeschoss untergebracht. Neben den Museumsräumen dienen aber auch das Foyer und der Bibliotheksbereich zur Präsentation von Abgüssen.
Eine Auslagerung in Außenmagazine in den 1960er Jahren hat zu Verlusten geführt, dafür gab es durch Übernahme von Stücken aus dem Landesmuseum für Vorgeschichte auch wieder Zuwächse. Mit über 1000 Abgüssen gehört die Sammlung des Robertinum heute zu den großen Sammlungen in Deutschland.
Neben der griechischen und römischen Kunst sind auch Zeugnisse altorientalischer Kulturen vertreten, denen bereits Ludwig Ross einen wichtigen Stellenwert einräumte.
Um auch die Anschauung erhaltener Reste antiker Malerei zu ermöglichen, gab Carl Robert eine Reihe von Aquarellreproduktionen in Auftrag. Die Kopien von pompejanischen Fresken, Tafelbildern aus Herculaneum und farbig gefassten Grabstelen aus Pagasai aus dem Atelier von E. Gilliéron in Athen zeigen sich gemessen an ihrer Entstehungszeit zu Beginn des 20. Jahrhunderts erstaunlich frei von zeitgeschmacksbedingten Verfremdungen. Aus dem gleichen Atelier stammen galvanoplastische Nachbildungen der Goldfunde Schliemanns in den Gräbern von Mykene, von denen das Robertinum eine größere Anzahl besitzt.