Khu trưng bày chính có hơn 6.000 hiện vật, trong đó có 830 cổ vật đã được giám định, công bố niên đại, đa số từ thời văn hóa Đông Sơn đến thời Lý - Trần - Lê - Nguyễn. Chiếm vị trí trung tâm là những chiếc trống đồng Đông Sơn, sau đó là rìu, mũi tên, lao kiếm, cuốc... được đặt ở những nơi trang trọng nhất. Lâu đời nhất là chiếc rìu đá mũi nhẵn, có tuổi khoảng 4.000 năm, hay chiếc kiếm hình người đội mũ chóp nhọn (dài 69cm), tai đeo vòng là loại cực hiếm hiện nay. Đồ dùng sinh hoạt hàng ngày có thố, thạp, nồi, ấm, đèn... Đồ trang sức có chất liệu đồng, mã não, đá màu như vòng tay, nhẫn, khuyên tai đồng... Riêng trống đồng Đông Sơn, bảo tàng có 10 chiếc đủ cỡ còn nguyên vẹn, với nhiều hoa văn trang trí tinh xảo
Đồ sưu tầm giai đoạn văn hóa Việt - Hán những năm trước thế kỷ X gồm đỉnh ba chân, bình ba chân cao có tay cầm hoặc không, bình kiểu con tiện, gương đồng... Trong đó, một số vừa mang phong cách Hán, vừa có phong cách Đông Sơn trang trí hoa văn vòng tròn tiếp tuyến, gắn quai hình chữ u ngược. Đồ gốm có kiểu phỏng theo bình đồng hình con tiện có quai mặt hổ phù, nồi, vò trang trí văn in ô vuông, văn ô trám lồng, chén hai tai, mô hình nhà hai tầng, một tầng, mô hình chuồng lợn...
Bộ sưu tập gốm thời Lý - Trần - Lê là gốm men ngọc, gốm hoa nâu, gốm hoa lam gồm bát đĩa, ấm thân tròn hình cầu miệng nhỏ, vòi nhỏ, vai khắc nổi hình cánh hoa sen. Loại gốm tiêu biểu thời Lý - Trần là gốm men ngọc có chất men trong, bóng tạo cảm giác sang trọng và gốm hoa nâu trang trí đơn giản, thô, nặng mang tính mộc mạc. Trong khi đó, đặc trưng của gốm thời Trần - Lê - Nguyễn là gốm hoa lam, trong bộ sưu tập của bảo tàng có lọ hình đàn tỳ bà trang trí hoa cúc, sen, chim. Ngoài ra còn có bộ sưu tập súng thần công, đỉnh đồng, bình đồng thế kỷ XIII, XIX,... và cổ vật các tỉnh phía Nam, Chămpa, đồ sứ hoa lam của Trung Quốc...
Chủ nhân của bảo tàng này là ông Hoàng Văn Thông, ông đã có thời gian hơn 20 năm để sưu tầm các cổ vật cho bảo tàng Hoàng Long.