Des d’un primer moment el museu ha estat la referència de l’arqueologia local, des de que Pere Giró erudit i arqueòleg de vocació, comencés com a pioner amb l’excavació de jaciments del Penedès, durant la primera meitat de segle XX.

En l’actualitat, el museu guarda el material dels més de 600 jaciments excavats; testimoni imprescindible per al coneixement de l’activitat humana en les zones de l’Alt i el Baix Penedès i el Garraf, des del paleolític fins a l’edat mitjana, passant pels períodes iber i de romanització. A aquest fons cal sumar-hi peces de gran interès històric i estètic com àmfores, oinochoes, askois, arybalos, que van ingressar al museu amb la intenció d’il·lustrar la “Exposición arqueológica del vino”, mostra que esdevindria el germen del Museu del Vi, i que va ser inaugurada el 1943 en motiu de la “I Feria de la Viña y del Vino” celebrada aquell any a Vilafranca.

El fons artístic deu el seu origen a les donacions de personatges il·lustres de la Vilafranca del segle XX. L’any 1972 Manuel Trens va deixar al museu la seva col·lecció d’art litúrgic integrada per pintura, escultura i orfebreria de procedències catalana i castellana, datades entre el segle XII i el XIX i un important fons de dibuix i pintura catalana d’entre la segona meitat del segle XIX i primera meitat del segle XX. Amb la presència destacada d’obres d’acadèmics: Claudi Lorenzale, Lluís Rigalt, Simó Gómez i Pau Milà; de paisatgistes: Dionís Baixeras, Josep Berga; de modernistes: Josep Masriera, Joan Llimona, Joan Brull, Joaquim Mir, Josep Mirabent, Lluïsa Vidal i Alexandre de Riquer; i de noucentistes: Josep Obiols, Enric Casanovas, Francesc Domingo, Darius Vilàs, Antoni Vila Arrufat etc.

Cal també destacar els fons pictòrics procedents de llegats de grans famílies del sector vitivinícola, com són la col·lecció Pladellorens i la col·lecció Berger, amb la presència d’autors com Masriera, Eliseu Meifrèn, Josep Maria Tamburini, Xavier Gosé, Ricard Urgell, Roig i Soler, Alexandre de Cabanyes, i Armand Cardona Torrandell.

Per la seva part, l’any 1978 Joan Bonet i Baltà va donar la seva col·lecció de ceràmica. Les més de 1500 peces són un testimoni únic de la història de la producció ceràmica dels Països Catalans des del segle XIV i fins el segle XIX. També s’hi conserven peces d’altres entres importants de l’Estat espanyol com Triana, Muel, Toledo i Talavera de la Reina.

El museu compta amb tres fons de la mateixa temàtica, les etiquetes de vi, que el fan únic en l’àmbit museístic del vi. La col·lecció personal d’Àngel Escudé, amb més de 100.000 exemplars d’etiquetes d’arreu del món; el fons d’empresa de Gráficas Varias (empresa centenària de Sant Sadurní d’Anoia especialitzada en impressió d’etiquetes de xampany i de cava); i l’arxiu de l’estudi de disseny gràfic Xavier Bas Disseny, amb un recull exhaustiu de la seva producció especialitzada en l’etiqueta del vi des dels anys 90 del segle passat i fins ben entrada a la segona dècada del segle XXI.

En el camp etnogràfic el museu excel·leix amb una de les col·leccions més emblemàtiques de la institució, la col·lecció del vi, un fons que deu el seu origen a la fundació del primer Museu del Vi de l’Estat espanyol l’any 1943, i que testimonia segles d’activitat en el cultiu de la vinya i en la producció de vi als cellers catalans. Al costat d’un ampli i interessant repertori d’eines del camp i del celler, destaquen també les col·leccions de recipients ceràmics i de vidre que il·lustren els usos i costums que l’home ha anat imposant a l’entorn del consum del vi.

Durant més de cinquanta anys, aquest fons ha anat acompanyat d’un dels elements que han  esdevingut signe d’identitat de l’antic Museu, els diorames del vi que narren de manera singular i estètica la història de la vinya i del vi des de una vintena d’escenes amb figures dissenyades pels artistes locals Pau Boada i Lluís M. Güell i realitzades des del taller barceloní dels germans Castells.

El fons numismàtic de Vinseum és ampli i divers i conté des de medalles commemoratives d’esdeveniments locals i internacionals, fins a monedes de la colònia grega d’Empúries, monedes d’època romana, croats de Jaume I, pellofes de la parròquia de Santa Maria de Vilafranca, falsificacions de monedes de Carles IIII o monedes i papers moneda del període de la segona República Espanyola. També forma part de la col·lecció un bon nombre de monedes d’època contemporània de diversos països d’Europa i Amèrica.

La secció d’Ornitologia de Vinseum es va crear al 1959 arrel de l’adquisició que l’Ajuntament de Vilafranca va fer un any abans de la col·lecció que va començar a crear al 1957 el pèrit agrícola de formació i ornitòleg de vocació Pere Mestre Raventós. Durant els anys que Mestre va ser responsable de la secció i juntament amb els seus col·laboradors, va arribar a recopilar, estudiar i classificar un bast patrimoni natural que han llegat a la societat i que el museu conserva i disposa a la consulta i estudi dels especialistes que ho sol·licitin. Gràcies a l’esperit enciclopèdic i exhaustiu que va fer possible la classificació d’aquests fons, avui ens permet traçar des del museu la història natural del nostre entorn geogràfic amb precisió. D’una banda, el fons ornitològic dibuixa un mapa exhaustiu de l’avifauna present al Penedès, i compta amb 300 aus de més d’un centenar d’espècies diferents, amb prop de 800 postes d’ous i amb 96 nius.