Muzej Staroga Grada brine se o trinaest zbirki, od kojih svaka čuva vrijedni materijal o povijesti Staroga Grada i otoka Hvara. Tematski se zbirke mogu podijeliti na četiri glavne cjeline, a to su arheološke, etnografske, povijesne i umjetničke zbirke.
Arheološku cjelinu čine četiri zbirke: arheološka, hidroarheološka, numizmatička i zbirka kamenih spomenika i mozaika.
Arheološka zbirka sastoji se većinom od predmeta pronađenih prilikom različitih arheoloških istraživanja na području Staroga Grada, iz vremena prapovijesnog naselja (6. i 5. st.pr.Kr.), razdoblja grčkoga grada Farosa (4. – 2. st.pr.Kr.) te rimske i kasnoantičke Farije (1. st.pr.Kr. – 7. st.).
Hidroarheološku zbirku čini teret kasnoantičkog brodoloma u uvali Duboka, na sjevernoj obali otoka Hvara, a to su većinom amfore te ulomci opreme broda.
Numizmatička zbirka sastoji se od više stotina primjeraka novca pronađenih prilikom arheoloških istraživanja u Starome Gradu.
Zbirka kamenih spomenika i mozaika većinom se sastoji od predmeta pronađenih prilikom arheoloških istraživanja na lokalitetu Remete vrt (arheološki park Faros) odnosno dijela lokaliteta gdje se nalaze ostaci kompleksa dvojnih ranokršćanskih crkava Sv. Ivana i Sv. Marije.
Etnografska zbirka sastoji se od predmeta iz svakodnevnog otočnog života, ali i predmeta vezanih za gospodarstvo, posebice vinarstvo i maslinarstvo. Zbirka je dislocirana u zapadnom krilu Hektorovićeva Tvrdalja.
Povijesnu cjelinu čini pet zbirki: Pomorska, zbirke građanskog života, starih knjiga, pisanih i tiskanih dokumenata te zbirka razglednica i dopisnica.
Pomorska zbirka čuva razne predmete koji evociraju bogatu pomorsku povijest Staroga Grada. Zbirka građanskog života se velikim dijelom sastoji od inventara obitelji Gelineo Bervaldi koja svoj namještaj i ostale predmete iz salona oporučno ostavlja gradu. Zbirka knjiga sadrži osobnu knjižnicu slikara Bartola Petrića, brojne časopise i knjige. Zbirka pisanih i tiskanih dokumenata je kolekcija brojnih plakata i tiskovina dok Zbirka razglednica i dopisnica čuva više od 2000 razglednica, dopisnica i fotografija pribavljenih darovanjima i otkupom. Posebnu skupinu čine razglednice Staroga Grada od kraja 19. stoljeća do danas.
Umjetnička cjelina sastavljena je od četiri zbirke: Bartola Petrića, Jurja Plančića i Magde Dulčić, poznatih starogradskih umjetnika te Umjetničke zbirke koja sadrži slike, skulpture i grafike hrvatskih renomiranih umjetnika, ali i brojnih lokalnih autora.