Основа музейного собрания – выморочный фонд – имущество П.И. Чайковского, находившееся в его доме и зафиксированное в полицейской описи после его скоропостижной смерти 25 октября / 6 ноября 1893 года.

Большую роль в формировании музейного собрания сыграли родственники Чайковского и, в первую очередь, его младший брат – Модест Ильич, первым взявший на себя труд по сохранению архива композитора, заложивший основу формирования коллекций музея. Его деятельность была продолжена первым директором музея Н.Т. Жегиным, который внес большой вклад в пополнение коллекций музея, в том числе организовал поступление в фонды музея – архива, библиотеки и личных вещей С.И. Танеева.

Музей Чайковского в самые сложные годы ХХ века считался надежным депозитарием. Многие выдающиеся отечественные музыканты и деятели культуры передавали или завещали музею свои архивы. Музейное собрание пополнилось фондами У.О. Авранека, А.С. Аренского, Э.К. Павловской, А.А. Брандукова, А.Т. Гречанинова, Г.А. Лароша, М.Е. Медведева, Э.Ф. Направника, Б.Б. Корсова, Ф.И. Стравинского, Н.В. Салиной, Н.Ф. Финдейзена и многих других деятелей культуры.Неотъемлемой частью музейного собрания стали коллекции, связанные с увековечением памяти композитора, исполнением его произведений во всем мире.

В 1958 г. начинает формироваться коллекция Международного конкурса имени П.И. Чайковского.

После присвоения имени Чайковского Большому симфоническому оркестру Всесоюзного радио и Центрального телевидения было принято решение о включении фонда БСО в состав собрания музея. Большой раздел музейного собрания посвящен сценографии. В него входят эскизы декораций и костюмов к постановкам произведений Чайковского в театрах разных стран мира, сценические костюмы выдающихся исполнителей, театральные макеты. На протяжении всей истории музея комплектуется фонд редких книжных и нотных изданий, научно-исследовательских трудов о жизни и творчестве композитора, его музыкальном наследии.

В настоящее время это одно из ценнейших музейных собраний страны в сфере музыкальной культуры России XIX-XXI веков.

В центре собрания – личный фонд П.И. Чайковского: творческие рукописи, переписки, записные книжки и дневники, личная библиотека, коллекции материалов и документов, личные вещи композитора. С основания музея на хранение привлекаются архивы членов семьи Чайковского, их потомков, учеников, кол­лег, исполнителей его музыки и мероприятий, увековечивающих их память.

Музей собирает и хранит архивы и отдельные документы исследователей творчества Чайковского, а также сотрудников музея, внесших значительный вклад в его историю. Собирается коллекция копий материалов и документов Чайковского, которые находятся в частных собраниях, в других архивах и музеях в России и за рубежом. Хранится и регулярно комплектуется архив самого музея по основным видам его деятельности с момента основания.