Bereits der Museumsgründer Vinzenz Maria Süß (1802–1868) begann mit dem Sammeln von Salisburgensien, Büchern, Karten, Grafiken zur Salzburger Kunst und Geschichte. 1870 wurde der erste gedruckte Katalog über die in der Bibliothek des städtischen Museums Carolino Augusteum vorhandenen Salisburgensia herausgebracht, welcher Druckwerke, Manuskripte, Musikalien, aber auch Karten, Pläne und Ansichten auf insgesamt 117 Seiten behandelte. Seitdem wurde durch Schenkungen und Ankäufe der Bestand vermehrt, jedoch durch Kriegseinwirkungen und Deakquisitionen (Verkauf, Abgabe an andere Museen und Archive) wieder vermindert. Seit dem 19. Jahrhundert sammelt das Museum auch neue Bestände wie Exlibris, Sterbebildchen, Wappen und Nachlässe von bekannten Salzburger Künstlern und Schriftstellern, Teile davon befinden sich jetzt in der Foto- und Grafiksammlung.

Das Spektrum der Sammlung reicht vom Original-Autographen des berühmten Weihnachtsliedes Stille-Nacht von Joseph Mohr und Franz Xaver Gruber aus dem Vormärz bis zum Reklamemarken-Album aus den Jahren 1914 bis 1920, von der Missa Salisburgensis Heinrich Ignaz Franz Bibers bis zum Kochbuch der Maria Euphrosine Khumberger aus dem Jahr 1735 mit 285 Rezepten.

Die Sammlung umfasst etwa 5.000 Handschriften und Autographen. Weiters sind hier noch die Realia- und Personaliasammlungen, die Stammbücher-, Kalender- und Partezettelsammlungen zu nennen. Dazu kommen ferner die Theaterzettel und -programme vom Salzburger Landestheater und von den Salzburger Festspielen. Notenhandschriften und Notendrucke umfassen 2.700 Stück. Die sehr umfangreiche Plakatsammlung wurde in eine Computerdatenbank eingetragen und beinhaltet bereits 11.000 Katalogisate. Sterbebildchen und auch die Wappensammlung finden sich ebenfalls in den Beständen. Ein wichtiger Aspekt stellt auch die Aufnahme der Nachlässe bekannter in Salzburg wirkenden Persönlichkeiten dar, u.a. von Richard Mayr, Anton Faistauer, Georg Trakl (Sammlung Geipel), Joseph Messner oder August Brunetti-Pisano.

Der Salzburger Museumsverein unterstützt das Museum bei Ankäufen. Im Dezember 2014 konnte ein Tagebuch der Museumsprotektorin Caroline Auguste erworben werden. Die meisten Neuzugänge erhält die Sammlung jedoch von Museumsvereinsmitgliedern, Salzburgerinnen und Salzburgern geschenkt.

Nur ein kleiner Teil der Sondersammlungen wird in den diversen Ausstellungen in der Neuen Residenz präsentiert. Die wichtigste Funktion hat die Bibliothek inne: in der Präsenzbibliothek werden Forscherinnen und Forschern und allen Interessierten sämtliche Bestände zur Bearbeitung zur Verfügung gestellt. Geplant ist in den nächsten Jahren auch eine Anbindung der Museumsbibliothek ans Internet, um nicht nur die Medienpräsenz der Bibliothek zu erhöhen, sondern auch um die Recherchemöglichkeiten der Besucher zu verbessern.