Die Sammlungen des Stadtmuseums sind mit seiner abwechslungsreichen Geschichte eng verbunden. Die Gründung des Museums erfolgte in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, dementsprechend zeichneten sich die Sammlungen ursprünglich durch ihren bürgerlichen Charakter aus. Für lange Zeit dominierten Zeugnisse städtischer Repräsentation sowie Historiengemälde und Bildnisse von Ehrenbürgern.
Die reichen kulturgeschichtlichen Bestände wurden im Zweiten Weltkrieg und in der unmittelbaren Nachkriegszeit stark in Mitleidenschaft gezogen; etwa 40 Prozent der Bestände sind in dieser Zeit verloren gegangen.
Der Wiederbeginn in der DDR führte zu einer Verschiebung des musealen Profils mit einer klaren politisch-ideologischen Ausrichtung. Die enge Verbindung zur Arbeiterklasse sollte vertieft werden. Erst zu Anfang der 1980er Jahre mit der Einrichtung des Museums zur Frühromantik (Kügelgenhaus) gelang es, neue Sammlungsakzente zu setzen.
Mit der Wiedervereinigung wurden auch in den Sammlungen neue Wege beschritten. Zeugnisse der Wirtschafts- und Industriegeschichte Dresdens sowie kulturhistorische Gegenstände rückten erneut in den Mittelpunkt der Sammlungspolitik. Nach der Gründung der Städtischen Galerie 2005 wurde der Kunstbestand des Stadtmuseums an die Galerie übertragen und seitdem von dieser verwaltet. Er steht allerdings weiterhin dem Stadtmuseum für Ausstellungen zur Verfügung.
Gegenwärtig lassen sich die Sammlungen des Stadtmuseums in vier große Bestandsgruppen gliedern, die die Kunst- und Kulturgeschichte Dresdens seit dem Mittelalter bis heute widerspiegeln: Eine gegenständliche Sammlung, eine Schriftgutsammlung, eine Plakat- und Kartensammlung sowie eine Fotografie- und Filmsammlung. Das Kügelgenhaus, das Carl-Maria-von-Weber-Museum und das Kraszewski-Museum verfügen über keine eigenen Sammlungen; die Exponate dieser Häuser werden vom Stadtmuseum und der Städtischen Galerie verwaltet. Ferner verfügt das Museum über eine Bibliothek mit einem großen Bestand an Büchern und Periodika zur Geschichte Dresdens, seiner Sehenswürdigkeiten und Ortsteile; die ältesten stammen aus dem 17. Jahrhundert.
Heute ist das Bestreben des Stadtmuseums, die bestehenden Sammlungen fortzuführen, die seit 1945 entstandenen Lücken zu identifizieren und – so gut wie es möglich ist – nach und nach zu schließen. Ferner möchten wir partizipative Ansätze in der Sammlungsarbeit anwenden mit dem Ziel unsere Sammlungen neu zu befragen und persönliche Perspektiven zuzulassen. In enger Zusammenarbeit mit den Bürger:innen beabsichtigen wir, unsere Sammlungen zukünftig zu ergänzen und die Stadtgesellschaft in ihrer gesamten Breite in unseren Sammlungen abzubilden.