Finito il Ducato Estense, il Palazzo dei Musei fu considerato sede privilegiata per raccogliere le testimonianze delle vicende passate e presenti della comunità modenese. Vi fu allestito alla fine dell'800 un Archivio Storico della Comunità, che aveva già avuto sede nel Palazzo Comunale e che ancor prima, per alcuni secoli, era stato custodito in una stanza della Ghirlandina. L'archivio raccoglie i documenti dell'attività politico-amministrativa di Modena libero Comune, poi Capitale dello Stato Estense e infine Comune dello Stato Italiano: documenti che coprono un arco di tempo che va dal XII al XX secolo (ma non bisogna dimenticare che il più antico risale addirittura al 969). Vi sono inoltre conservati Archivi di Opere Pie soppresse e Archivi privati, insieme a Cronache manoscritte della città, Manoscritti rari, Lettere di personaggi illustri. Comprende una Biblioteca che, tra i testi più antichi, annovera incunaboli, cinquecentine, libri rari del '600 e '700 e una Emeroteca costituita da periodici e quotidiani locali, a partire dal '700. L'archivio storico mette quotidianamente a disposizione del pubblico la "Sala studio", garantendo collaborazione ai ricercatori. Inoltre, nel 1886, il Municipio decise di destinare il terzo piano dell'edificio per raccogliere oggetti e reperti fino ad allora sparsi in varie sedi della città: detti materiali furono nel 1962 distinti in Museo Archeologico (poi ribattezzato Museo Archeologico Etnologico) e Museo di Arte Medievale e Moderna. Agli inizi degli anni '90 un restauro ha coinvolto i locali, gli armadi e le teche, la disposizione dei materiali; ne è risultato un allestimento godibile in sé, al di là del significato dei pezzi esposti: è di particolare effetto la sala del settore archeologico, tripartita da due file di pilastri, coperta da volte a crociera e occupata da grandi armadi a vetri. Gli esemplari raccolti nel Museo di Arte Medievale e Moderna sono di particolare interesse perché per la maggior parte sono di provenienza locale e possono fornire strumenti per dare uno spessore "storico" all'impatto con la città. In questo senso, per l'occhio attento a cogliere le trasformazioni urbanistiche avvenute nel tempo, può essere di grande interesse la I sala, dove i quadri e le stampe rappresentano una Modena ormai scomparsa. Nella II sala domina la presenza del Begarelli, con la sua Madonna di Piazza e una piccola Testa d'Angelo. La Madonna, che è la prima opera documentata del Begarelli ventenne, benché testimoni già l'adesione al classicismo di Raffaello, rimase per quasi tre secoli in una nicchia del Palazzo Comunale, dalla quale fu rimossa nel 1798, per un decreto che vietava la presenza di immagini sacre nei luoghi pubblici. Accanto, due paliotti di scagliola e due acquasantiere scolpite testimoniano la tradizione carpigiana della "mischia" e la religiosità medievale. Nelle sale seguenti si succedono gli ottoni (III); le terrecotte architettoniche e le carte xilografate (IV); gli strumenti scientifici (V); le terraglie e le maioliche della fabbrica sassolese Ferrari-Moreni (VI); le armi, i morsi da cavallo e un calessino a posto unico (VII); conclude una sala con la Collezione Gandini, una raccolta unica in Italia nel suo genere, che conserva oltre 2.000 frammenti di tessuti prodotti tra l'XI e il XIX secolo. Il Museo Archeologico Etnologico si apre con la sala dedicata all'Archeologia, che raccoglie reperti modenesi del Paleolitico e soprattutto del Neolitico e dell'Età del Ferro. Il pezzo di maggior interesse, la celebre Venere di Savignano, è però presente solo in copia. Nella sezione di Epoca Romana si segnalano il Bassorilievo dei Niobidi (II secolo d.C.) e gli arredi bronzei della Domus rinvenuta in via Università; in quella etrusca i bronzetti votivi, i doli cinerari e una grande situla in bronzo. Il settore Etnografico, articolato in tre sale, comprende materiali provenienti dalla Nuova Guinea, dal Perù precolombiano, dall'America del Sud, dall'Africa e dall'Asia. Di particolare interesse sono i materiali della prima sala, dove le asce in pietra immanicate con pezzi di legno sono utile strumento comparativo per lo studio dei reperti della sezione archeologica.