Відділ забезпечує ведення фондово-облікової документації згідно інструкції, організовує суворий облік музейної збірки, науковий опис (паспортизацію) предметів, забезпечує повне збереження музейних предметів, які знаходяться в фондах і експозиції музею.
Впродовж року до фондів надходить понад 3 тис. нових предметів, близько 10 тис. одиниць зберігання видаються для експонування на стаціонарних, пересувних виставках.
Науково-дослідницька робота відділу спрямована на вивчення та дослідження природи краю, висвітлення екологічних проблем Вінниччини на сучасному етапі. За результатами цих досліджень написані лекції та екскурсії «Зникаючі види флори і фауни Вінниччини та заходи щодо їх збереження», «Лікарські рослини Вінниччини», «Внутрішні води Вінницької області», «Мешканці екосистем Вінниччини», «Тваринний світ нашого краю», «Кліматичні особливості Вінницької області» та інші.
Основними напрямками науково-дослідницької роботи відділу є: історія Поділля з литовської доби і до початку ХХ ст.; розвиток козацтва на теренах краю; духовна та матеріальна культура українців Східного Поділля, зокрема звичаї українців у народному календарі, весільні обряди, ремесла та промисли подолян тощо; історія конфесійних культур Поділля, особливості релігійного життя краю, сакральне мистецтво.
Предметом експозиційної роботи та наукових досліджень працівників відділу є всебічне вивчення історії Вінниччини 1917-2014 рр. Пріоритетними напрямки роботи є дослідження Української революції 1917-1920 рр. на теренах Поділля, зокрема, участь вінничан в урядах УНР, Гетьманату, Директорії, висвітлення злочинної більшовицької політики в часи Голодоморів 1921-1923, 1932-1933, 1946-1947 рр., репресій 1920-1950 рр. на Вінниччині.
Виставкова діяльність музею, що є найбільш мобільним підрозділом музейної експозиції, спрямована як на тих, хто є нашими постійними відвідувачами, так і тим, хто тільки відкриває для себе духовну скарбницю рідного краю, а також гостям міста, що прагнуть скласти реальну і повну картину життя регіону.
Співробітники відділу працюють у текстових та видавничих програмах, які дозволяють виконувати різноманітні завдання, пов’язані з набором, версткою, макетуванням та дизайном різноманітної видавничої продукції музею. Це афіші, запрошення, анотації, буклети, наукові видання, які виготовляються вчасно і на високому естетичному та технічному рівні. Для створення електронної бази відділом забезпечується сканування новонадходжень до музею.
Науково-дослідницький відділ охорони пам’яток історії та культури реалізує один із основних напрямків діяльності музею: здійснює пам’яткоохоронну роботу. Працівники відділу проводять обстеження області з метою виявлення нових об'єктів історико-культурної спадщини. Нововиявлені пам’ятки вносяться до електронної бази.
Історико-меморіальний комплекс пам’яті жертв фашизму створено рішенням Вінницької обласної Ради № 163 від 15 липня 2011 р. на правах філіалу Вінницького обласного краєзнавчого музею. Комплекс складається з двох об’єктів: частини території колишньої ставки «Вервольф» та братської могили військовополонених і громадян окупованих німцями країн, які будували ставку.