Im Fokus der naturgeschichtlichen Sammlung stehen Paläontologie und Geologie: Herausragende Fossilienfunde aus der Region Heilbronn-Franken geben umfassenden Einblick in die Entwicklung des Lebens während der Trias-Zeit, zwischen 252 und 201 Millionen Jahren vor heute.
Die archäologische Sammlung schöpft aus reichen Funden aus dem Heilbronner Land. Von der Steinzeit bis ins Frühmittelalter datieren die Bestände, die vor allem in den 1950er bis ‘70er Jahren geborgen wurden. Ein neolithisches Massengrab aus Talheim etwa bezeugt das früheste bekannte Massaker der Menschheitsgeschichte. Vielfältige Siedlungsfunde und Grabbeigaben aus der Region geben Einblick in die Eisen- und Bronzezeit.
Die kulturgeschichtliche Sammlung ist ausgerichtet auf die Historie der Stadt Heilbronn und prägende Themen der Region – darunter die Neckarschifffahrt oder die hiesige Silberwarenindustrie. Fein gearbeitete Bestecke und eindrucksvolle Tafelaufsätze bezeugen die Kunstfertigkeit des Unternehmens Bruckmann & Söhne, das im 19. Jahrhundert weltbekannt war.
Skulptur und Plastik stehen im Zentrum der städtischen Kunstsammlung: Herausragende internationale Bildhauer der Moderne, darunter Auguste Rodin, Pablo Picasso, Medardo Rosso, Henri Matisse, Henri Laurens, Henry Moore und Alberto Giacometti, sind mit Bozzetti und Kleinplastiken vertreten. Zeitgenössischen Positionen wie Franz Erhard Walther, Roman Signer oder Thomas Schütte führen die Erweiterung des Skulpturbegriffs in der Kunst der Gegenwart vor Augen. Zahlreiche Werke belegen zudem den Facettenreichtum der Bildhauerei im deutschen Südwesten.