Le Musée d’Altamira recherche, conserve et documente les fonds dont il a la charge. La collection du musée est composée des fonds assignés et des dépôts d’autres institutions ou de particuliers.
La collection permanente est formée de fonds provenant de divers sites tels que la grotte d’Altamira elle-même, la grotte proche de Las Estalactitas ou encore le site en plein air autour d’Altamira. Elle comprend également des fonds d’autres grottes de Cantabrie comme El Castillo, Las Monedas, Morín, Rascaño, Salitre, Chufín, El Juyo, La Pila, ou de sites en plein air comme celui des carrières de Cuchía.
En outre, le Musée d’Altamira est dépositaire d’objets et de collections appartenant à d’autres musées nationaux, notamment le Musée national des sciences naturelles, le Musée national d’anthropologie, le Musée de l’Amérique ou le Musée archéologique national; il a aussi reçu des dépôts d’autres institutions comme le Musée de la Préhistoire et de l’archéologie de Cantabrie (MUPAC), le Musée d'art moderne et contemporain de Santander (MAS), le Musée de la préhistoire de Valence ou la grotte d’Isturitz (France).