Als Ergebnis von archäologischen Grabungen, durch Funde und Spenden von Privatleuten sowie durch gezielte Ankäufe ist seit Gründung des Vereins ein breit angelegter Sammlungsbestand zusammengekommen. Er besteht aus Archivalien, Büchern, archäologischen Funden, Gemälden, Zeichnungen, Druckgrafik, Fotografien, Münzen, Medaillen, Postkarten und Alltagsgegenständen unterschiedlicher Epochen, aber auch aus Modellen und Repliken. Die Sammlung spiegelt die regionale Geschichte von der Altsteinzeit bis in die Gegenwart wider.Von archäologischen Funden, die wegen einer seinerzeit in Ingelheim fehlenden ausreichenden musealen Betreuung in die Bestände anderer Museen gelangten, ließ der Historische Verein später Repliken anfertigen. Dazu gehören die römischen Grabfiguren und das Flügelpferdrelief, deren Originale sich im Wiesbadener Museum beziehungsweise im Landesmuseum Mainz befinden. Anlässlich der Wiedereröffnung des Ingelheimer Museums im April 2004 wurde der Trachtschmuck einer Dame der Merowingerzeit im Auftrag des Vereins nachgearbeitet. Die Originalfunde aus einem Grab in Frei-Weinheim sind heute in einer Vitrine des Mainzer Landesmuseums ausgestellt. Im Ingelheimer Museum zieren die Stücke eine ebenfalls vom Verein finanzierte lebensgroße Figurine.
Von den heute im „Museum bei der Kaiserpfalz“ aufbewahrten und ausgestellten Objekten sind rund 60 Prozent Leihgaben des Historischen Vereins.

Modelle der Kaiserpfalz entstanden in den dreißiger und siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts. Sie basieren auf dem damaligen Kenntnisstand. Anlässlich des 100jährigen Vereinsjubiläums im Jahre 2005 erhielt das Museum ein neues Modell, das den aktuellen Forschungsstand widerspiegelt.