Первоначально музейная коллекция включала 1195 экспонатов и делилась на два отдела: исторический и природный. Уже в первые месяцы работы музей привлёк 4800 посетителей.

Первые экспонаты были приобретены в 1918 году благодаря Л. А. Кулику, который возглавлял метеоритный отдел геологического и минералогического музея Академии наук. Эти экспонаты были куплены у Уральского общества любителей естествознания и включали коллекцию минералов, горных пород, а также гербарии растений из Ильменских гор. Значительную часть экспонатов составляли культурные ценности, оставленные после ухода колчаковцев из Миасса в 1919 году, такие как картины, художественное литье, ценная мебель и чучела животных и птиц из мастерской И. Бардина.

В 1928 году музей был вынужден переехать из Симоновского особняка в дом купца Жарова на улице Свердлова из-за перевода педагогического техникума из Златоуста. В 1934 году музей вновь сменил адрес, переехав в одноэтажное здание на улице Октябрьской, 7, в дом купца Лесина. В течение 1934-1935 годов к зданию был добавлен деревянный пристрой для увеличения площадей. При музее работала столярная мастерская для изготовления и ремонта оборудования. Благодаря усилиям директора И. Т. Черных, фонды музея увеличились до 7 тысяч экспонатов, а посещаемость выросла до 20 тысяч человек в год. Также была создана научная библиотека, архив и химическая лаборатория.

Во время Великой Отечественной войны музей столкнулся с задачей сохранения и пополнения коллекций материалами, отражающими героизм военных лет. Это было непросто, так как штат музея был сокращён, а экспозиционные площади уменьшились на 60% из-за размещения на территории музея эвакуированного из Харькова проектного института.

После войны работа музея стабилизировалась. Основные направления его деятельности включали научно-исследовательскую, экспозиционную и научно-просветительскую работу. Активно велся сбор местного исторического материала и изучение природы края. Ильменский государственный заповедник оказывал значительную помощь в пополнении фондов. Музей стал центром координации различных направлений изучения региона и оказания научно-методической помощи школьным музеям и кружкам.

С 1960-х годов сотрудники музея начали проводить научно-исследовательскую работу в архивах страны. В 1961 году, совместно с Центральным Государственным архивом древних актов, были найдены уникальные документы, подтверждающие точную дату основания Миасского завода. Научный сотрудник Петр Михайлович Шалагинов, проработавший в музее более 20 лет, проделал большую работу по сбору архивных материалов и разработке туристических маршрутов для школьников.

4 февраля 1960 года при музее была создана историко-краеведческая секция, объединяющая ветеранов партии, войн и труда. Эти энтузиасты внесли значительный вклад в пополнение фондов музея материалами по истории города. Основной проблемой музея оставалась нехватка научных кадров и экспозиционных площадей.

В 1970-е годы вновь возник вопрос о выделении музею нового здания, бывшего дома купца Кузнецова на улице Ленина, 12. Однако реставрационные работы нанесли зданию непоправимый ущерб, и переезд не состоялся.

Несмотря на проблемы с помещением, в 70-е годы в работе музея наблюдались положительные изменения. Повысилась квалификация научных сотрудников, улучшился научный уровень исследований. В государственных архивах велась плодотворная работа по пополнению фактического материала по истории города. Фонды комплектовались в соответствии с тематико-экспозиционными планами новой экспозиции. Для привлечения посетителей были заключены договоры с Челябинским и Чебаркульским бюро путешествий и экскурсий, а также со школами и предприятиями, что увеличило посещаемость до 50 тысяч человек в год. Основной формой массовой работы оставались экскурсии и лекции, которых ежегодно проводилось около 500 и 70 соответственно.

4 июля 1995 года музей переехал в особняк золотопромышленника Е. М. Симонова, где были оформлены выставки об истории края и жизни обывателей Миасского завода. Для посетителей открылась научно-краеведческая библиотека с богатым фондом изданий, включая дореволюционные.

В 1920 году фонд музея насчитывал 1195 экспонатов, а в настоящее время, 21 коллекцию с более чем 51 тысячей экспонатов. Музей проводит тематические экскурсии для школьников и студентов, а также городские краеведческие чтения и лекции по истории края.

Коллекции музея отражают все аспекты социального и культурного развития Миасса и окрестностей. Археологическая коллекция включает более 20 тысяч экспонатов, собранных археологическими экспедициями в Миасском районе. Минералогическая коллекция демонстрирует разнообразие Ильменских гор, включая горные породы и образцы драгоценных минералов. Коллекция художественного литья представлена работами мастеров, такими как П. К. Клодт и Е. А. Лансере, отлитыми на Кусинском и Каслинском заводах. Документы коллекции охватывают экономическое и социальное развитие города с момента основания Миасского медеплавильного завода до наших дней.

Отдел редкой книги содержит духовную и светскую литературу, энциклопедические словари, издания УОЛЕ, книги из серии «Библиотека Великих писателей», а также издания частных типографий Миасского завода и современные книги. Особый интерес представляют два Евангелия XVIII века и летописи, написанные священниками Петро-Павловской церкви.

Коллекция этнографии включает мебель, предметы домашнего обихода, орудия труда и одежду различных слоев населения, характерные для миасского района. Она пополнялась за счет экспедиций музея по окрестным деревням и селам.