Museum Patiayam memiliki koleksi fosil purba hasil temuan dari Situs Patiayam yang hingga kini mencapai 10.147 fragmen. Namun, fosil yang dipamerkan di ruang pamer museum baru sekitar 200 fragmen.
Fosil yang ditemukan di Situs Patiayam di antaranya Stegodon trigonocephalus (gajah purba), Elephas sp. (sejenis gajah purba), Cervus zwaani dan Cervus lydekkeri (sejenis rusa), serta Rhinoceros sondaicus (badak).
Selain itu, terdapat Brachygnathus dubois (babi), Felis sp. (kucing besar/macan), Bubalus palaeokarabau (kerbau purba), Bos palaesondaicus (banteng purba), Crocodylus sp. (buaya), hingga kapak genggam atau "chopper".
Sementara itu, koleksi Museum Kretek antara lain menggambarkan proses produksi rokok kretek, mulai dari pembuatan secara manual hingga menggunakan teknologi modern, jenis-jenis tembakau, produk rokok dari masa ke masa, serta patung sejumlah tokoh yang berperan dalam perkembangan industri rokok di Indonesia.
