El Museo de Altamira investiga, conserva y documenta los fondos que custodia. La colección del Museo está integrada por los fondos asignados y por los depósitos de otras instituciones o particulares.
La colección estable está formada por fondos procedentes de distintos yacimientos como son la propia cueva de Altamira, la cercana cueva de Las Estalactitas o el yacimiento al aire libre de Alrededores de Altamira. Forman parte de la colección estable también fondos de otras cuevas cantábricas como El Castillo, Las Monedas, Morín, Rascaño, Salitre, Chufín, El Juyo, La Pila, o de yacimientos al aire libre como el de las canteras de Cuchía.
Además, el Museo de Altamira es depositario de objetos y colecciones de otros Museos Estatales como el Museo Nacional de Ciencias Naturales, el Museo de América o Museo Arqueológico Nacional; también ha recibido depósitos de museos de otras titularidades como el Museo de Prehistoria y Arqueología de Cantabria (MUPAC), el Museo de Arte Moderno y Contemporáneo de Santander (MAS), el Museo de Prehistoria de Valencia o la cueva de Isturitz en Francia.