Dział Sztuki Dawnej to interdyscyplinarny zbiór muzealiów ukazujący rozwój cywilizacyjny człowieka od średniowiecza po współczesność, ze szczególnym odniesieniem do zagadnień regionalnych. To relacja przeszłości oraz współczesności wspólnie tworzących wielowątkowy przekaz o przemianach w kulturze duchowej i materialnej człowieka.Zabytki Działu Sztuki Dawnej dostarczają wiedzę faktograficzną, ale teżi prezentują humanistyczną wizję świata. Zbiór ten liczy ponad 2200 obiektów z zakresu rzeźby, malarstwa, grafiki oraz rzemiosła. Do grupy szczególnie cennych muzealiów należy rzeźba sakralna od XIV do początku XX wieku, związana z terenem Dolnego Śląska. Zespół pochodzi z dawnego Heimatmuseum oraz przekazów powojennych.
Zbiór malarstwa obejmuje prace powstałe od XVI do początku XX stulecia. Jest wśród nich popularne na Śląsku malarstwo religijne i pejzażowe. Z życiem i historią Zielonej Góry związane są wykonane w różnych technikach plastycznych portrety mieszczan z XIX i XX wieku oraz sztychy ukazujące miasto. Ponad 250 eksponatów liczy kolekcja przedmiotów kultu prawosławnego, złożona z ikon, krzyży raspatijnych i plakiet wotywnych, pozyskanych w drodze przekazów i zakupów oraz w ramach wieloletniej współpracy Muzeum z placówkami celnymi. Największy zespół w grupie obiektów rzemiosła stanowi ceramika, datowana od XVIII po lata 60. XX wieku, pochodząca często ze znanych i cenionych manufaktur europejskich. Znaczący ilościowo i jakościowo zbiór tworzą zabytki zegarmistrzowskie, reprezentowane między innymi przez zegary podłogowe, szafkowe, kominkowe, talerzowe, ludowe oraz dużą grupę czasomierzy kieszonkowych z XIX i XX wieku.
Ważną pozycję w zbiorach Działu Sztuki Dawnej zajmują wyroby złotnicze i konwisarskie. Wśród tych ostatnich na szczególną uwagę zasługują obiekty wchodzące w skład lad cechowych, stanowiące wyposażenie obiektów sakralnych czy elementy zastaw cynowych codziennego użytku.
Szybko rozwijającą się grupę muzealiów stanowią zabytki techniki, ukazujące przemiany w sferze mentalności i obyczajowości oraz wyznaczające etapy cywilizacyjnego rozwoju człowieka. Szczególne znaczenie mają obiekty związane z kulturą materialną miasta i regionu, miejscową proweniencję posiadają wyroby kowalstwa, z różnego typu zamkami, zasuwami, kłódkami, kluczami czy wietrznikami. W zbiorze zabytków techniki znajdują się także narzędzia rzemieślnicze reprezentujące warsztaty o nie istniejących już specjalnościach. Ważną grupę stanowią przedmioty pomiarowe, jak rozmaite typy wag oraz użytkowe, z żelazkami, akcesoriami oświetleniowym czy moździerzami. Urządzenia mechaniczne reprezentują maszyny do pisania oraz różnego typu sprzęt grający (z okazałą szafą grającą „Polyphon” z końca XIX wieku).
W ostatnich latach intensywnie rozwija się zbiór sprzętu fotograficznego. Obecnie ta wywodząca się z XIX wieku technika utrwalania obrazu podlega rewolucyjnym przeobrażeniom. Chcemy w zielonogórskim Muzeum ten proces jak najpełniej przedstawić.
