Et flagskib i Museum Sydøstdanmark er museets samlinger og genstande. Det er museets opgave fortrinsvist at indsamle, registrere og bevare genstande med det formål at kunne bruge dem til at formidle og forske i historien. I museets samling er der i 2020 ca. 19.000 museumssager indeholdende omtrent 230.000 inventarnumre som hver kan dække over en eller flere genstande.
”Ting” og ”fund” bliver til ”genstande” i det øjeblik de fortolkes i museal sammenhæng og optages i museets samling. At genstanden bliver optaget i museets samling betyder i praksis bl.a., at den bliver registreret og indberettet til de statslige centrale registre.
Museum Sydøstdanmark indsamler genstande som museet tillægger særlig betydning. Det sker i forbindelse med undersøgelser og forskning i særlige emner eller temaer. Får museet tilbudt genstande af privatpersoner, vurderes det, om genstandene har særlig kulturhistorisk betydning. Det kan være enten som supplement til de bestående samlinger eller som helt ny viden. Ved indsamlingen afstemmes prioritering og strategi med det allerede indsamlede og registrerede kildemateriale såvel lokalt som i en bredere sammenhæng, og der lægges vægt på samarbejdet med andre museer samt med forskningsinstitutioner i ind- og udland. Det er således målet, at det antikvariske arbejde ved museet bidrager til forskningen i såvel nationale som internationale sammenhænge.
Den arkæologiske samling er bygget op af fund fra museets undersøgelser, donerede privatsamlinger og enkeltfund. Fra forhistorien, middelalderen og historiske perioder findes arkæologiske genstande af mange forskellige materialer som sten, flint, tegl, keramik, knogle, metal og endda plast. I tilknytning til genstandene er arkiveret mange oplysninger og data om bl. a. fundsted og fundomstændigheder. Både materiale- og genstandstyper stiller særlige krav til hensigtsmæssig opbevaring. I samlingen findes både mere almindelige dele i det store danmarkshistorie-puslespil og helt unikke dele som eks. elgknoglerne udgravet ved Lundby Mose og flintredskaber fra den tidlige jægerstenalder og jernalderens importerede glasperler og romerske drikkeglas fundet på Skovgårde-gravpladsen.
Knoglemateriale fra mennesker uddeponeres på Antropologisk Laboratorium under Panum Instituttet og knoglemateriale fra andre dyr uddeponeres på Kvartærzoologisk Afdeling på Zoologisk Museum, begge steder under Københavns Universitet.
Museum Sydøstdanmarks magasiner afspejler museets forskningsområder hvorfor de rummer et righoldigt udvalg af genstande fra hele middelalderen. Specielt skal fremhæves et stort keramisk materiale fra alle middelalderens perioder samt et exceptionelt udvalg af genstande af træ og læder, hvilket bl.a. skyldes specielt gode bevaringsbetingelser og centrale arkæologiske undersøgelser i vore driftige middelalderkøbstæder, Stege, Køge og Næstved.
Omfattende arkæologiske undersøgelser på kongeborgene Vordingborg og Stegeborg har ligeledes bidraget med et stort og alsidigt antal genstande til fremtidige studier og udstillinger.
Nyere tid dækker perioden fra 1660 og helt frem til i dag. Museum Sydøstdanmark har en meget stor samling fra denne periode, som først og fremmest består af dagligdags brugsgenstande, redskaber fra landbrug og håndværk, møbler og dragter, men naturligvis også af kunstgenstande, breve, billeder og meget mere. Museet har særlig fine og store samlinger indenfor tekstiler og kunsthåndværk. Det gælder bl.a. tekstiler fra Køng Fabrik, glas fra Holmegaard Glasværk og Kähler keramik. Museets samling indenfor nyere tid vokser hele tiden. Private kontakter museet for at give genstande, eller museets medarbejdere går ud og laver aftaler om indsamling af genstande indenfor særlige forsknings- og formidlingsområder. Da samlingerne allerede indeholder mange tusinde genstande, er det vigtigt ikke at indsamle noget, som der allerede findes meget tilsvarende af i samlingen, og kun tage nye genstande ind, som virkelig kan fortælle en historie. Det er vigtigt at have oplysninger om, hvem der har ejet en pågældende genstand, hvad den har været brugt til, samt hvor og hvornår den har været anvendt.
Museum Sydøstdanmarks samlinger indeholder også en række af malerier og fotografier med motiver og/eller personer fra lokalområder. Samlinger af keramik der omfatter værker af kunstner, der alle gennem tiden har haft en tilknytning til Kähler. Holmegård Glasværks Prøvesamling af Rosendahl Design Group med tusindevis af glas afspejler dansk glasproduktion i 185 år. En betragtelig samling af dragter og tekstiler samt Herlufsholms Etnografiske Samling med ca. 350 genstande repræsenterer det meste af verden med eksempler på alt fra våben til kunsthåndværk og 'kolonialvarer', dvs. råvarer og handelsvarer.
Museernes Samlinger er det centrale register over genstande og andet kulturhistorisk dokumentationsmateriale i statslige og statsanerkendte danske museer. Der kan findes oplysninger om genstande fra Museum Sydøstdanmarks samling i Museernes Samlinger. Arkæologiske genstande i samlingen stedfæstes også på det arkæologiske Danmarkskort Fund og Fortidsminder.
Museets samlingsinspektør, der er uddannet konservator, har det overordnede ansvar for museets samling.