"博物"是儿童博物馆有别于其他类别校外教育机构的特征之一。在馆藏品方面，至2019年底，上海儿童博物馆的收藏品共计有 2791件，其中综合类 1529件、家具类 1件、书画类 660件、儿童玩具类 527件 以及航海、航天类 74件。部分藏品由异域儿童类博物馆及社会友好人士捐赠。除此之外，还常年征集与儿童相关的物质文化藏品及富有创意和特色的儿童个人创作作品，对符合条件的儿童自创作品和相关儿童物质文化藏品予以收藏，并颁发特制收藏证书。
文化藏品
中国民间玩具
1940年代双推磨
1920年代桌上高尔夫
各类棋牌游戏
拨浪鼓
彩绘陶铃
仿明代釉陶老寿星
仿邛窑青瓷小兽
泥座狮
双连环
无锡泥人大阿福
无锡泥人一组
燕车
棕人·穆柯寨
棕人·西游记
香包一组
海外民间玩具
女儿节的玩偶系列之三
女儿节的玩偶系列之二
女儿节的玩偶系列之一
童男童女
武士
人头车
羽子板
古早教具及课本
民国小学生文库配套书橱
民国小学生文库第一集（地理类）
儿童服饰
民国婴儿连体衣及棉帽