In der Kunstsammlung ragen die gotischen Tafelbilder und barocken Skulpturen heraus, unter ihnen Hauptwerke von Jörg Zürn und Joseph Anton Feuchtmayer. Seit Mai 2013 präsentiert das Museum eine zusätzliche neue Dauerausstellung in frisch sanierten Räumen, darunter eine kleine »Wunderkammer« mit überraschenden Kuriositäten und eine neue Sektion mit dem Titel »Überlingen. Stadt am See«.

Auch die historische Waffenkammer mit mehr als 200 Hieb- ,Stich- und Schusswaffen ist nun erstmals seit den 1950er Jahren wieder der Öffentlichkeit zugänglich. Im barocken, üppig stuckierten »Museumssaal«, dem Festsaal des Museums, finden zwischen April und Oktober regelmäßig Konzerte, Lesungen, kulturgeschichtliche Vorträge und standesamtliche Trauungen statt.

Darüber hinaus präsentiert das Städtische Museum Überlingen seit dem Jahr 2007 wechselnde Sonderausstellungen von überregionaler Bedeutung.