Колекція історико-художнього музею та картинної галереї розміщена у княжих палатах, церкви Дмитра-на-крові та інших будівлях на території Кремля. Вона включає археологічні знахідки, давньоруські ікони, живопис XVIII-XX століть, скульптуру XVII-XIX століть, особисті речі та сімейні реліквії жителів міста, предмети декоративно-прикладного мистецтва.

Предмети експозиції музею розміщені у вітринах, які вирізані з липи і служать музею з дня його відкриття. Особливо цікаві предмети, пов'язані з трагічними подіями вбивства царевича Дмитра: ноші, в яких убієнного царевича перенесли до Москви, повернувся із заслання набатний дзвін, дошка-мощевик, в якій зберігалися горіхи, колишні у дитини в руках в момент його загибелі та ін. У княжих палатах збереглися багато раритети музею вітчизняних старожитностей, в тому числі вишивки, покрова з ликами угличских святих, збори кахлів.