Die Sammlung der historischen Musikinstrumente besitzt internationales Profil. Sie verfügt über herausragende Saiteninstrumente unter den Geigen, Mandolinen, Gitarren, Harfen und vor allem Tasteninstrumenten, welche die Klavierbautradition im Braunschweiger Land sehr gut widerspiegeln. Blasinstrumente wie Zinken, Hörner, Trompeten, Flöten, Klarinetten etc. runden die Sammlung ab.
Großzügige Stiftungen von Theodor Steinweg 1889 sowie der Familie Grotrian-Steinweg 1985 ermöglichten den Auf- und Ausbau der Musikinstrumentenabteilung des Städtischen Museums. Herausragende Bedeutung haben u.a. das Dekachordon von Heinrich Grimm (1634), das Clavichord von Barthold Fritze (1756), die Querflöte von König Friedrich II. von Preußen (18. Jh.), die Jugendgeige von Louis Spohr (Mitte 18. Jh.), das Tafelklavier von Heinrich Steinweg (1835) sowie der Hammerflügel von Grotrian-Steinweg aus dem Besitz der Pianistin Clara Schumann (1879).