自贡恐龙博物馆是我国最早建立的专业性恐龙遗址博物馆，自筹建以来就十分重视标本的收藏工作，经过三十多年的发展，博物馆的藏品数量和类型都得到很大的拓展和提高。

自贡恐龙博物馆的藏品主要为中生代恐龙化石标本，类型涵盖古生物学、岩石学和矿物学。截止2020年底，现有馆藏藏品4049件/套（实际数量10801件），其中珍贵藏品3464件/套（实际数量7925件），以丰富的中生代恐龙等古脊椎动物化石和规模宏大的恐龙化石埋藏遗址最具特色，形成了独具一格的藏品体系。馆藏恐龙化石的种类和数量居同类博物馆之首，是目前世界上收藏中侏罗世恐龙化石最丰富的博物馆，在国内外具有重要的影响力。藏品中有众多具有重要科学价值的世界级珍品，如：世界上保存最完整、时代最早、最原始的剑龙——太白华阳龙；中国首例剑龙类皮肤（印痕）化石——四川巨棘龙皮肤（印痕）化石；我国首例蜥脚类恐龙皮肤（印痕）化石——杨氏马门溪龙皮肤（印痕）化石；世界上首次发现与肩带骨骼呈关节状态保存的肩棘化石——四川巨棘龙肩棘；世界上首次发现的蜥脚类恐龙尾锤——蜀龙和峨眉龙尾锤；世界上保存最完整的鸟脚类化石——劳氏灵龙骨架；我国第一具保存有完整头骨的马门溪龙——杨氏马门溪龙骨架等。这些珍贵的化石标本不仅对于恐龙的身体结构、形态、功能的研究具有非常重要的科学价值，而且为系统研究恐龙的演化提供了极为宝贵的化石佐证，因此在世界恐龙研究中占有极其重要的地位。