Les collections du musée sont estimées à environ 16OOO objets. Elles sont constituées de plusieurs fonds d’origines et de natures différentes. Initiées par la ville d’Oyonnax, agrandies par d’importantes collectes lancées par la Jeune Chambre économique de Nantua-Oyonnax et l’Association des Amis du Musée (AMPPO), elles sont aujourd’hui régulièrement enrichies par une politique d’achats raisonnés, de dons et de dépôts.
La première grande acquisition, fondatrice du musée, fut menée par la Municipalité d'Oyonnax en 1928. Elle comprend de nombreuses pièces uniques réalisées en celluloïd par Marie-Léon Arbez-Carme (1858-1928), souvent signées et numérotées telles que peignes, vases, assiettes, boites, tableaux...
Le musée possède aussi :
- Des collections de peignes et ornements de coiffures fabriqués à Oyonnax dont quelques célèbres pièces de la maison Auguste Bonaz. Aujourd'hui encore quelques entreprises oyonnaxiennes perpétuent la tradition artisanale à l'origine du développement de la Plastics Vallée.
- Des collections de lunettes fantaisies, solaires, optiques en plastique créées et fabriquées à Oyonnax à partir des années 1925.
- Des produits plastiques dans leur grande diversité de fabrication sur la vallée dans le domaine des jouets, de la mode, des arts ménagers ou de l'ameublement.
- Une collection de 32 robes et accessoires de Paco Rabanne.
- Des machines et outils propres à la fabrication des peignes, lunettes et autres objets témoins de l'évolution des techniques de transformation des plastiques.