Conformément à la volonté de Bourdelle, les collections du musée ont la particularité de présenter tout l'œuvre du sculpteur à demeure, dans les ateliers où il a vécu et travaillé sa vie durant. En mai 1949, les héritières de l'artiste, Cléopâtre Bourdelle (1882-1972) sa femme, Rhodia Dufet-Bourdelle (1911-2002) sa fille, font don à la Ville de Paris des ateliers, du terrain qui les entoure, et d'un ensemble de 900 sculptures, d'une centaine de peintures et d'environ 1 500 dessins. A la faveur de la seconde campagne d'extension du musée par l'architecte  Christian de Portzamparc en 1992, ce noyau originel sera enrichi par la donation de l'ensemble des photographies (1995) puis par le legs de Rhodia-Dufet Bourdelle (2002). Outre un fonds considérable d'archives, ce musée monographique conserve quelque 15 000 photographies, 3 000 sculptures, 4 000 dessins et aquarelles, 150 peintures et pastels.