Les col·leccions són el gran potencial del Museu, les quals han estat formades bàsicament per les aportacions dels molinencs: els Amics del Museu, els col·laboradors, les associacions culturals, algunes empreses, l’Ajuntament... Des de l’any 1953 el nombre de donacions al Museu representa més de cinc mil objectes.

Cada un dels objectes que guarda el Museu és una part de la memòria històrica dels molinencs, de la vila, àdhuc del territori, però a més, cada un dels objectes té la seva pròpia història, lligada a una època concreta, una funció...

Quan un objecte arriba al Museu ja no compleix la funció per la qual va ser ideat: canvia el seu sentit, però adquireix nous valors: històrics, socials, culturals, simbòlics, lúdics o estètics...

Amb les col·leccions del Museu és possible reconstruir molts aspectes de la història del municipi i del territori, des d’èpoques remotes fins a l’actualitat.

A la col·lecció de paleontologia hi trobem els fòssils, restes d’organismes vegetals o animals, o restes de les seves activitats, que s’han conservat a través del temps i que es troben en els estrats geològics. Normalment, només es troben fossilitzades les parts més resistents dels organismes, és a dir, els elements esquelètics o les closques.

Els fòssils han estat objecte de col·lecció des d’antic: d’antuvi, com a objectes naturals curiosos; després, com a part de les col·leccions d’història natural.

El Museu Municipal de Molins de Rei aplega una col·lecció de fòssils trobats a les rodalies de la vila i d’altres de diferents punts de Catalunya, amb la qual es pot donar una idea de l’estratigrafia del territori del Baix Llobregat, una de les zones en què les activitats antròpiques (urbanització, construcció, extraccions, etc.), molt sovint destructives o degradatòries, han destruït molts jaciments paleontològics.

L’arqueologia és una metodologia que serveix als historiadors per elaborar la història d’aquelles èpoques de les quals no es conserva documentació escrita. Utilitza com a documents qualsevol mena de vestigis materials que han deixat els humans: llocs d’habitatge, d’enterrament, eines i instruments, manifestacions artístiques, etc.

Fins no fa massa temps, el desconeixement de la prehistòria i la història antiga al Baix Llobregat era molt gran, quasi desconegut.

La col·lecció d’arqueologia del Museu, de gran importància i interès per la qualitat dels materials que conserva, ha permès la publicació de diversos estudis sobre l’establiment d’homes i dones en un territori que abasta una àmplia zona (Molins de Rei, Sant Feliu de Llobregat, el Papiol, Castellbisbal, Sant Vicenç dels Horts, Pallejà i la Palma de Cervelló) en les diferents etapes de la prehistòria, la història antiga, amb restes de l’època paleolítica, neolítica, eneolítica, de l’edat de ferro, de la cultura ibèrica i de la dominació romana.