Muziejaus rinkiniai pradėti kaupti mokytojo J. Šiaučiūno dar iki oficialaus muziejaus steigimo 1930m. (steigėjas – J.Šiaučiūnas). Iki 1940 m. muziejuje buvo apie 630 eksponatų. Beveik visi surinkti pačioje Kernavėje ir artimiausiose apylinkėse.
Nors archeologinių dirbinių (iš viso apie 250 vienetų) buvo bene gausiausia, tai dažnai atsitiktiniai smulkūs dirbinėliai ir jų fragmentai be aiškios metrikos. Likusią rinkinių dalį sudarė etnografinė, istorinė bei numizmatinė (apie 180 vnt.) medžiaga.
Muziejaus rinkiniai nežymiai pasipildė po Antrojo pasaulinio karo, tačiau iki pat sistemingų archeologinių tyrinėjimų pradžios 1979 m. beveik visi jie tilpo ekspozicijoje.
Šiuo metu situacija radikaliai pasikeitusi. Muziejuje, kurio specializacija - archeologija, saugomi archeologiniai, etnografiniai, istoriniai , raštijos, foto ir numizmatiniai eksponatai. Etnografiniai ir istoriniai eksponatai yra surinkti apylinkėse ir pačioje Kernavėje, ir atspindi tik šios vietovės XVIII – XX a. laikotarpį.
Muziejaus rinkiniuose saugoma 42423 vnt. eksponatų. Archeologijos rinkiniuose sukaupta tyrinėjimų, vykstančių nuo 1979 m., medžiaga. Unikalūs Kernavės paminklai apima visus Lietuvos archeologinius laikotarpius nuo vėlyvojo paleolito iki XVIIIa. Akmens amžių reprezentuoja pavieniai svidrų kultūros IX tūkstantmečio prieš Kristų titnaginiai radiniai bei turtingos mezolito ir neolito titinago dirbinių kolekcijos iš gyvenviečių Pajautos slėnyje. Rinkiniuose yra molinės urnos ir bronzos dirbiniai iš unikalaus I tūkst. pr. Kr. brūkšniuotosios keramikos kultūros kapinyno. Gausi pirmųjų amžių po Kristaus piliakalnių ir gyvenviečių medžiaga, kurioje be vietinių dirbinių yra Romos imperijos importas. Archeologijos rinkinių pagrindą sudaro XIII – XIV a. medžiaga iš piliakalnių, miesto Pajautos slėnyje ir Kriveikiškių kapinyno. Radiniai, patekę iš atskirų amatininkų sodybų, reprezentuoja konkrečius amatus. Čia gausu organinės medžiagos (medžio, žievės, tošies, odos) dirbinių. Ornamentuoti beržo tošies dirbiniai neturi analogų ne tik Lietuvos, bet ir kaimyninių kraštų muziejuose.
Turtinga XIII – XIV a. importinė medžiaga – Rytų kraštų stiklas, sidabro papuošalai.
Be pačioje Kernavėje surinktų dirbinių, fonduose saugomi eksponatai iš apylinkių pilkapynų – Karmazinų, Varliškių, Popų-Vingelių bei Grabijolų ir Karmazinų gyvenviečių.
Muziejaus numizmatinė kolekcija nėra labai gausi, bet visos joje esančios monetos surastos Kernavėje ir apylinkėse. Seniausioji moneta – Marko Aurelijaus 161-162 m. sidabrinis denaras. Reikšmingiausi numizmatiniuose rinkiniuose – lietuviški sidabriniai lydiniai iš Kernavės Pilies kalno ir Mitkiškių lobių, lydinių fragmentai ir falsifikatas iš piliakalnių, miesto ir kapinyno teritorijos bei visų tipų pirmosios lietuviškos monetos.
Nuo 2010 m. dalyvaujame Lietuvos integralios muziejų informacinės sistemos (LIMIS) kūrimo projekte ir didelė dalis mūsų rinkinių jau pasiekiama skaitmeniniu formatu LIMIS svetainėje.
