Nurmeksen museon esinekokoelma on muodostunut talollinen Väinö Hämäläisen (1883–1947) tekemän lahjoituksen pohjalle, joka käsittää yli 3000 esinettä ja yli tuhat valokuvaa. Hämäläisen kokoelman esineet ovat aktiivisen matkailun ja keräilytoiminnan tulos, joten osa niistä on lähtöisin muualta kuin Nurmeksesta.

Hämäläisen kokoelman lisäksi Nurmeksen museon esinekokoelmien toinen avainkokonaisuus on Nurmes-seuran 1980-luvun alussa Nurmeksen kaupunginmuseolle tekemä lahjoitus. Seura lahjoitti 1960-luvun lopulla keräämänsä yli tuhannen esineen suuruisen maatalouspainotteisen esineiden kokoelman, jota siihen asti oli pidetty esillä entisessä viljamakasiinissa.
Paikallisten kokoelmien lisäksi Nurmeksen museo tallentaa romanikulttuuria valtakunnallisesti.
Nurmeksen museon esinekokoelmaan kuuluu tällä hetkellä noin 22 000 esinettä. Valokuvakokoelman koko on noin 86 000 kuvaa. Valokuvakokoelmien suurimpia kokonaisuuksia ovat Ylä-Karjalan kuva-arkisto ja Kuva-Vakan kokoelma. AV-kokoelma on näihin nähden varsin pieni. Se käsittää noin 400 äänitettä, videota, elokuvaa ja kaitafilmiä. AV-kokoelman ydin on Nurmes-seuran 1970–1990-luvuilla tekemät haastattelut ja Kotiseutu-iltojen taltioinnit.
Nurmeksen museon kokoelmien digitointityö jatkuu koko ajan, ja kokoelmat ovat niiltä osin selattavissa Kansalliskirjaston hakupalvelu Finnassa.