Всего в музейном фонде в наше время насчитывается больше ста тысяч различных экспонатов по археологии, этнографии, палеонтологии, нумизматике, зоологии, минералоги. Коллекция музея содержит фотодокументы, естественно-исторические и историко-бытовые предметы, рукописи, обзоры Семипалатинской области, памятные книжки и адрес-календари.
Экспозиции музея выставлены в нескольких различных залах и филиале в здании ДК города Семей, темы выставок очень разнообразны: «Палеонтология и геология», «Археология и этнография», «Природа родного края», «История города и края», «Семей в годы независимости», «О движении Алаш и городе Алаш», «Семей в годы ВОВ», «Семей за безъядерный мир», «Семей в годы независимости». В главном выставочном зале музея на постоянной основе проводятся выставки на различные темы.
Вводный зал
Центральное место в первом зале музея занимает карта Восточно-Казахстанской области, повествующая об истории создания Семипалатинской губернии, состоящей из Зайсанского, Каркаралинского, Семипалатинского, Усть-Каменогорского, Павлодарского уездов и части территории Алматинской губернии.
Зал геологии и палеонтологии
В палеонтологическом зале музея можно увидеть больше 300 экспонатов, среди которых: окаменелые раковины разных моллюсков, древние отпечатки растений на сланцах, часть черепа пещерного медведя, шерстистого носорога и бизона, а также бивни, зубы и позвонки мамонта, панцирь черепахи, найденные по большей части на берегу реки Иртыш.
Животный мир
Животный мир восточного Казахстана очень разнообразен. Многообразный ландшафт, хорошие климатические условия этой области дают возможность обитать здесь различным видам животных. В зоологическую коллекцию Краеведческого музея Семея входит множество чучел животных и разных птиц, в том числе редкие и исчезающие виды растений и животных, включенные в Красную Книгу страны. В зале представлена большая коллекция рогов различных парнокопытных животных, обитающих на местной территории.
Природный зал
В природном зале музея представлена внушительная коллекция насекомых, в которую входит множество видов бабочек и жуков, собранных ученым-зоологом Виктором Селевиным в 1883 году.
Зал минералов
В данном зале представлена коллекция минералов, отражающих богатство недр этого региона. Здесь можно увидеть образцы полезных ископаемых, а также минералы, собранная местными краеведами братьями Белослюдовыми в ХІХ-ХХ веках.
Зал археологии
В зале археологии выставлены бронзовые ножи и кинжалы, каменные жертвенники, кельты и другие древние экспонаты эпохи камня, бронзы и раннего железного века. Старинные орудия труда здесь представлены рубилами, мотыгами, нуклеусами, скребками, теслами, микролитами, ножевидными пластинками, керамическими сосудами, наконечниками стрел, мечами, саблями, частями конской сбруи, бронзовыми ножами, шила, орудиями рудокопов и многими другими изделиями. Отдельное место в коллекции занимают ювелирные украшения эпохи бронзы: национальные женские серебряные украшения, включающие в себя драгоценные и полудрагоценные камни — серьги, браслеты, кольца, перстни, пряжки, застежки, пуговицы, пояса, подвески. Все украшения имеют богатую отделку в традиционном стиле.
Ремесленный зал
В ремесленном зале выставлена коллекция различных ремесленных изделий, старинной традиционной одежды, предметов быта местного народа, оружия казахских батыров. Центральным экспонатом здесь является снаряжение верхового коня, включающее в себя мужское и женское седло, изготовленные в XІХ-ХХ веках.
Зал музыкальных инструментов
В данном зале представлена коллекция музыкальных инструментов ХІХ-ХХ веков, большинство экспонатов которой изготовлено современными этнографами в стиле мастеров ХІХ века. Один из экспонатов — старинный кобыз со струнами из конского волоса.
Библиотека
На территории Краеведческого музея Семея функционирует закрытая научная библиотека, фонд которой включает в себя более 34 тысяч книг, среди которых — редкие словари, научные справочники, ученые записки и труды ученых-исследователей России, Средней Азии и Китая, старинные и современные атласы и географические карты, отчеты о деятельности Семипалатинского Статистического комитета, записи Семипалатинского Подотдела Западно-Сибирского отдела Русского Географического Общества, подшивки периодических изданий XIX–XX веков и множество различной научной литературы. Самые ценные библиотечные издания здесь — это «Энциклопедические словари Брокгауза Эфрона» (1890–1904 годов), «Энциклопедия Гранта» (1912 года), «Энциклопедия Березина» (1873 года), «Ботанический словарь Анненкова» (1878 года) и книга «Кudatku bilik» Юсуфа Баласагуни (факсимиле уйгурской рукописи)