El Museo de sitio Castillo de Niebla forma su colección a partir de diversos procesos que datan desde su misma creación en el año 1993, los trabajos arqueológicos realizados en el sitio durante esa década y otras incorporaciones posteriores. Actualmente se compone de colecciones asociadas a objetos de carácter cultural categorizados según las siguientes clasificaciones: 1) Fotografías, 2) Armas y armamentos, 3) Herramientas y utensilios, 4) Libros y documentos y 5) Arqueología –estudios-.

La clasificación fotográfica está compuesta por el Archivo Gilberto Provoste, colección de imágenes de Chiloé, Puerto Montt y Coyhaique de mediados del siglo XX, así como álbumes con fotografías de autor de paisajes rurales al sur de Chile. La clasificación de armas y armamentos alude a los cañones de la batería del castillo, además de balas y balines de diversos tamaños. La clasificación de herramientas y utensilios agrupa objetos utilizados en diversas épocas, así como otros elementos relacionados con la vida cotidiana en la fortificación. La clasificación de libros y documentos reúne donaciones de valor patrimonial, asociados al sitio. Finalmente, la clasificación arqueológica es conformada por material de estudio resultante de tres campañas de la disciplina realizadas en el Monumento, la realizada en el sitio Contraloría en Valdivia y una adicional que agrupa elementos en custodia. No obstante, cada uno de los restos arqueológicos que forman parte integral del monumento, sus murallas o caminos, por ejemplo, se constituyen por sí mismos en un pedazo de historia, en un patrimonio para resguardar.