В Государственном музее заповеднике обширная фондовая коллекция – в фондах хранится более 30 тысяч экспонатов. Коллекции имеют несколько разделов, главный из которых – мемории. Это уникальное собрание предметов, связанных с жизнью и деятельностью Сергея Есенина, его родных и знакомых, а также с семьёй Л.И. Кашиной и известных писательниц сестёр Хвощинских. В коллекции находятся предметы материальной культуры конца XIX – начала XX веков, бытовавшие в селе Константиново.

Собрана большая коллекция изобразительного искусства, насчитывающая около двух тысяч единиц хранения. Среди них живописные произведения Народных художников России С. Якушевского, А. Титова, Н. Ромадина, заслуженных художников России В. Шестакова, В. Решедько, живописца Л. Виноградова и других.  В коллекции представлены графические работы, экслибрисы на есенинскую тематику, скульптуры А. Усаченко, А. Бичукова, И. Онищенко и других мастеров.

В фондах музея-заповедника хранится более 4600 книг. Среди них прижизненные издания Сергея Есенина, сборники поэтов Серебряного века, старопечатные и рукописные книги (псалтирь, Евангелие), русская и зарубежная классика, учебная литература. Большую ценность представляют издания с автографами С. Есенина. Представлены книги из личной библиотеки Айседоры Дункан, которые она оставляла своим знакомым, уезжая из России в Европу.

В 2016 году музей-заповедник получил в дар один из богатейших есенинских архивов – собрание «главного есениноведа России» Юрия Прокушева. Большой пласт его коллекции составляют записи о встречах с родными, близкими поэта, людьми, знавшими Сергея Есенина. Особый интерес вызывают прижизненные и раритетные издания лирика, репринты, коллективные поэтические сборники, журналы первой четверти ХХ века, фотографии 50-60-х годов прошлого столетия с видами села Константиново и Спас-Клепиков, снимки Есенина и его близких, грампластинки и видеоматериалы.

Также в 2016 году фонды музея-заповедника пополнили 4 000 предметов из архива известного английского русиста Гордона Маквея. Он автор широко известных на западе биографических книг о С. Есенине и А. Дункан, а также многочисленных публикаций о поэзии и жизни Сергея Александровича. В коллекции представлены письма и телеграммы Есенина, афиши его выступлений в Германии, письма людей из ближайшего окружения поэта – Августы Миклашевской, Анны Никритиной, Марка Шагала, Петра Чагина, записки русских и советских писателей о Есенине, воспоминания учеников Айседоры Дункан, а также многочисленные фотографии, рукописи и машинописные тексты произведений имажинистов.

В 2019 году музей-заповедник приобрел уникальную коллекцию стереослайдов на стекле 1900-х годов. Она находилась во владении наследников семьи Хлудовых, Кашиных, Кулаковых (потомков семьи Лидии Кашиной). В коллекции 126 снимков, которые помогли восстановить утраченные постройки на родине поэта.