Các bảo vật được lưu giữ tại đây gồm: Đài thờ Trà Kiệu; Đài thờ Mỹ Sơn E1; Tượng bồ tát Tara; Đài thờ Đồng Dương; Tượng thần Ganesha; Tượng Gajasimha; phù điêu Apsara; Tượng thần Shiva và phù điêu Đản sinh Brahma.
Các hiện vật được công nhận là Bảo vật Quốc gia đều mang những giá trị đặc biệt và là cơ sở để nghiên cứu, quảng bá về lịch sử, mỹ thuật, văn hóa dân tộc Việt Nam. Trong đó, Đài thờ Trà Kiệu với chất liệu sa thạch, xuất xứ Trà Kiệu (Quảng Nam), niên đại thế kỷ VII -VIII, được công nhận Bảo vật Quốc gia năm 2012. Đài thờ Trà Kiệu được đưa về bảo tàng năm 1901, gồm có các bộ phận: Phía trên là một Linga, ở giữa là bệ Yoni gồm hai thớt tròn được trang trí những cánh hoa sen cách điệu đối xứng nhau, phía dưới là một chiếc bệ vuông. Bốn mặt quanh khối vuông được chạm trổ nhiều người. Đài thờ Trà Kiệu được đánh giá là một trong những kiệt tác điêu khắc. Ngay sau khi được phát hiện, Đài thờ Trà Kiệu đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu tìm đến giải mã nội dung câu chuyện của các nhân vật quanh đài thờ và đoán định niên đại của nó.
Đài thờ Mỹ Sơn E1, chất liệu sa thạch, xuất xứ Mỹ Sơn (Quảng Nam), niên đại thế kỷ VII - VIII, được công nhận Bảo vật Quốc gia năm 2012. Đài thờ gồm 16 khối đá (hiện nay chỉ còn 14 khối). Đây là đài thờ duy nhất được tìm thấy hiện nay mô phỏng các chi tiết trang trí kiến trúc của một ngôi tháp như: Các bậc cấp, vòm cửa, trụ cửa, động vật, hoa lá.
Tượng bồ tát Tara, chất liệu đồng, xuất xứ Đồng Dương (Quảng Nam), niên đại cuối thế kỷ IX đầu thế kỷ X, được công nhận Bảo vật Quốc gia năm 2012. Năm 1978, người dân tại địa phương đã tình cờ tìm thấy một pho tượng nữ thần bằng đồng cao gần 1,15m. Tượng nữ thần đứng thẳng, hai tay cùng cân xứng về phía trước. Tay phải cầm đóa hoa sen, tay trái cầm vỏ ốc. Hai chi tiết này đã bị thất lạc khi tượng được phát hiện. Đến tháng 12/2023, sau thời gian lưu lạc, hai hiện vật đã được bàn giao lại cho Bảo tàng lưu giữ và bảo quản. Đây là một trong những tượng Tara bằng đồng quan trọng nhất đã được phát hiện tại khu vực Đông Nam Á.
Bên cạnh việc lưu giữ được nhiều Bảo vật Quốc gia, Bảo tàng Điêu khắc Chăm tại thành phố Đà Nẵng còn là Di tích Lịch sử cấp thành phố. Di tích này trải qua hơn 100 hình thành và phát triển gắn với nhiều sự kiện, ký ức của nhiều thế hệ nhân dân nơi đây.