Собирать коллекцию будущего краеведческого музея начали еще в конце XIX в. В собрание вошли материалы по археологии, этнографии, ботанике, зоологии, геологии. Великолепное здание, в котором сейчас располагается музей, было построено японскими властями в 1937-м в так называемом стиле «императорской короны». После Второй мировой войны и снятия японской оккупации здание перешло советскому правительству.

Коллекция краеведческого музея сегодня включает 170 тыс. предметов, посвященных истории и становлению острова, его природному миру. В частности есть собрания, иллюстрирующие быт аборигенов Сахалина.

Палеонтологическая коллекция знакомит с эволюцией форм жизни на территории острова. В этнографическую экспозицию входят целые строения, например, помещение японской школы. Также представлены образцы старинного вооружения и военной техники.