Фонды музея содержат более 132 тыс. ед. хр. (основной фонд — 82161 ед.хр.). Среди них личные вещи, фотографии, награды, документы участников обороны Царицына и Сталинградской битвы, в том числе видных военачальников С.М. Буденного, Г.К. Жукова, А.М. Василевского, Н.Н. Воронова, командующего Сталинградским фронтом А.И. Еременко, председателя Сталинградского Городского Комитета Обороны А.С. Чуянова, коллекции фотографий и негативов, сделанных в период Сталинградской битвы фронтовыми фотокорреспондентами Г. Зельмой, Г. Липскеровым, Я. Рюмкиным, советских и немецких фронтовых писем и дневников 1942-43 гг., стрелкового оружия Красной Армии и вермахта, фронтовых рисунков и этюдов, выполненных в Сталинграде 1942-45 гг. художниками Г.И. Прокопинским, К.И. Финогеновым, боевой техники, боевых знамен воинских соединений и объединений, принимавших участие в Сталинградской битве.

Основные источники поступления — дары участников Обороны Царицына, Сталинградской битвы и членов их семей, официальных делегаций, гостей города.

В числе уникальных экспонатов музея: почетный меч — дар короля Георга VI гражданам Сталинграда, врученный И.В. Сталину на Тегеранской конференции в 1943 г., награды города-героя Волгограда, шинель генерал-майора В.А. Глазкова со 168 пулевыми и осколочными пробоинами, китель маршала Г.К. Жукова, мебель из штаба генерала М.С. Шумилова, где впервые допрашивали плененного в Сталинграде немецкого генерал-фельдмаршала Ф. Паулюса, рукопись Ф. Паулюса, написанная для Нюрнбергского процесса, 76-мм пушка "ЗИС-3", прошедшая с боями от Сталинграда до Берлина, винтовка снайпера 284-го стрелкового полка В.Г. Зайцева, уничтожившего за время битвы около 300 врагов, награды командира 13-й гвардейской дивизии А.И. Родимцева.