Тематика музея охватывает историю медицины Тамбовского края с XVII века до наших дней, освещается развитие отдельных направлений медицины и лечебно-профилактических учреждений области. Значительную часть коллекции музея составляет документальный фонд: печатные периодические и непериодические издания по вопросам медицины, монографии и научные труды крупнейших деятелей здравоохранения области, рукописи, личные документы и фотографии, а также редчайшие издания по медицинской тематике конца XVIII — начала XIX веков.
Коллекция нумизматики включает в себя персональные государственные награды тамбовских врачей периода XX века, личные печати медиков XIX–XX веков. Музей обладает ценной коллекцией медицинского оборудования, инструментов и медикаментов XIX–XX веков. В изобразительном фонде значительную часть занимает живопись и графика работы известного тамбовского офтальмолога и первого эколога края К. Н. Кардо-Сысоева. В коллекции музея также находятся скульптурные портреты тамбовских врачей работы К. Я. Малофеева.
Особый интерес представляет коллекция ученого и изобретателя Александра Чижевского, создателя прибора «аэроионификатор». В музее представлены фотографии, документы, научные труды, личные вещи изобретателя.
