Die Forschungsbibliothek und das Archiv des Pasadena Museum of History unterhalten die größte und umfassendste Sammlung von Dokumenten und Artefakten der Region zur Geschichte der Stadt. Die Forschungsbibliothek enthält weit über 1.000.000 historische Fotos, seltene Bücher, Manuskripte und Karten, architektonische Aufzeichnungen und vieles mehr. Die Museumssammlung umfasst eine umfangreiche Kunstsammlung, darunter Gemälde lokaler Freilichtmaler sowie Textilien, Keramik, Möbel und andere dreidimensionale Materialien von historischer Bedeutung für die Region. Die Kostüm- und Textilsammlung des Museums umfasst mehr als 3.000 Artefakte aus den Jahren 1880 bis 1970.
Etwa eine Million fotografische Bilder, einige nur im Negativformat, befinden sich in den umfangreichen Fotoarchiven des Museums, die Arbeiten wichtiger früher Pasadena-Fotografen aus dem späten 19.Jahrhundert sowie Fotoalben, Stereographien und Postkarten enthalten. Das Museum beherbergt auch Fotosammlungen der Pasadena Star-News und der lokalen Fotografen J.. Allen Hawkins und Flag Studios. Das Zeitungsarchiv des Museums umfasst 15 laufende Fuß lokaler Zeitungen, darunter gebundene Exemplare des Pasadena Star von 1886-1924. Die Forschungsbibliothek beherbergt etwa tausend Bücher und mehr als 300 Manuskripte aus den 1830er Jahren bis heute.
Die Archive enthalten auch Design- und Denkmalschutzberichte der Planungsabteilung von Pasadena, Stadtverzeichnisse von Pasadena und historische Karten von Pasadena und dem West San Gabriel Valley, einschließlich einer Reihe von Sanborn Fire Insurance-Karten für Pasadena.
Das Archiv beherbergt mehr als 150 Sondersammlungen, die von Einzelpersonen, Organisationen und Einzelpersonen in Pasadena gespendet wurden. Dazu gehören die Sylvanus Marston Collection of Architectural Drawings; die Tournament of Roses Collection; die Giddings-Hollingsworth Family Collection; die Fenyes-Curtin-Paloheim Papers; die Black History Collection; und die Hugh Anderson / Model Grocery Company Collection. Sondersammlungen sind auf der Website des Museums aufgeführt, und einige sind über die Website des Online Archives of California verfügbar.
Die Forschungsbibliothek und das Archiv befinden sich auf der unteren Ebene des Historischen Zentrums und sind von Donnerstag bis Sonntag von 1-4 Uhr geöffnet.