Коллекция «Минералы» начала формироваться в 20-е годы 19 века, а первое упоминание о ней относится к 1816 году.
Основоположником коллекции по праву можно считать начальника Златоустовского горного округа, исследователя природы Южного Урала Павла Петровича Аносова. Ученым собрана богатейшая коллекция минералов и горных пород, которая составила основу музейного собрания.
За более чем три века на территории Златоустовского Урала было найдено и описано около 20 видов горных пород и почти 90 видов минералов, некоторые из которых были найдены впервые не только в России, но и в мире. Впервые в мире на территории края обнаружены такие минералы, как ксантофиллит, хлоршпинель, перовскит, лейхтенбергит, гидраргиллит, сфен, кеммерерит на Урале встречаются только в Златоустовском районе.

Геологической достопримечательностью Златоустовского Урала являются минералогические копи. Старейшей и наиболее известной является Ахматовская копь, открытая в 1811 году. В разрезах Ахматовской копи найдены везувиан травяно-зелёного цвета (иногда на белом кальците), друзы диопсида, клиновидные кристаллы белого сфена и множество других. Мировую славу копь получила благодаря разновидностям граната. Здесь встречаются почти все существующие разновидности гранатов: красный пироп, розовый альмандин, зелёный гроссуляр, красно-коричневый андрадит, оранжево-красный альмандин-спессартин.

Славу уральских, как и вообще русских камней, составляют камни зеленого цвета, которые обязаны своей окраской наличию в горах богатых залежей меди, никеля, хрома, железа. В музейной коллекции представлены минералы различных оттенков зеленого цвета: амазонский камень, где зеленый тон переходит в нежно-голубой, редкий хризопраз; офиокальцит; диопсиды от изумрудно-зеленого до коричнево-зеленого, везувиан, малахит, змеевик.

Минералогический материал пополнялся на протяжении всего 20 столетия, особенно в послевоенные годы. Образцы горных пород, руд и минералов доставлялись научными сотрудниками музея из геологоразведочных экспедиций. В 70 -е годы 20 века на берегах реки Лемеза в Катав - Ивановском районе Челябинской области найден минерал, который впоследствии был назван лемезитом.
В коллекции представлены самоцветные изделия, выполненные из уральского камня: шкатулки из змеевика, малахита, родонита, офиокальцита, родонита, лемезита, авантюрина; великолепные ювелирные украшения: серьги, бусы, кольца, подвески, являющиеся авторскими, выполнены в единственном экземпляре.

В 2013 году научными сотрудниками музея исследованы старинные медные скифские рудники, Андреево-Юльевский карьер, гранатовый карьер, кианитовая копь в Пластовском районе Челябинской области. Образцы из рудников представлены азуритом, тремолитом в кальците. Собраны великолепные образцы граната спессартина. Музейную коллекцию пополнили кианиты в фуксите. Эти образцы позволят расширить музейную коллекцию и станут основой для научных исследований края. Минералогическое собрание сегодня насчитывает более 6 000 единиц, представляющее геологическое строение района, полезных ископаемых и его «изюминках» - минералогических копях. В минералогической коллекции музея хранятся образцы из месторождений не только Урала, но и России, стран ближнего и дальнего зарубежья.