W 1934 r. sanocki zamek przekazano nowo powołanemu Muzeum Ziemi Sanockiej. We wrześniu 1939 r. zamek został splądrowany. W 1940 r. z polecenia Kreisschulrata Willy'ego Hubera przeniesiono z plebani greckokatolickiej do zamku zbiory "Muzeum Łemkiwszczyna". W 1943 r. niemieccy urzędnicy zabrali z kolekcji muzealnej dwie cenne piętnastowieczne ikony. W sierpniu roku 1944 wycofujący się okupanci wywieźli z sanockiego zamku wiele cennych zabytków, część z nich została odnaleziona po wojnie w okolicach Legnicy.

Pod koniec działań zbrojnych w zamku umieszczono szpital wojskowy a następnie, do roku 1946, działała w nim rusznikarnia. Po opuszczeniu zamku przez wojsko muzeum wznowiło działalność. W roku 1968 zmieniono nazwę instytucji na Muzeum Historyczne w Sanoku. Placówką kierowali kolejno: dr Bolesław Skwarczyński (1934-1939), Leon Getz (1939-1944), Stefan Stefański (1944-1968), Janina Lewandowska (1968-1970) i Edward Zając (1970-1990). Od 1990 roku dyrektorem jest Wiesław Banach.

Szczególne miejsce w zbiorach sanockiego muzeum zajmuje kolekcja sztuki cerkiewnej. Jej najstarsze zabytki to XII-wieczne enkolpiony odkryte podczas badań archeologicznych na przycerkiewnym cmentarzysku w pobliskiej Trepczy. Do arcydzieł malarstwa ikonowego zaliczają znawcy zbiór dobrze zachowanych ikon z XV w. i XVI w. (m.in. Chrystus Pantokrator z 2. poł. XV w., z Nowosielc i Matka Boska Hodegetria z XVI w. z Paniszczowa). Całość ekspozycji, obejmująca kilkaset obiektów i chronologicznie dochodząca po początków wieku XX., doskonale ilustruje ewolucję sztuki Kościołów Wschodnich.

Jedną z zamkowych komnat poświęcono sztuce Kościoła Katolickiego. Szczególną uwagę warto zwrócić na kilka zabytków z XV i XVI w. oraz na rokokowe rzeźby "szkoły lwowskiej". Znajdziemy tu również obraz G. Paganiego "Opłakiwanie Chrystusa", którego pierwowzór pędzla Rubensa znajduje się w Muzeum Królewskim w Brukseli. Dzięki darom państwa Margaret i Alberta Sługockich z USA, obejrzeć możemy kolekcję 27 krucyfiksów hiszpańskich, niemieckich i francuskich datowanych od XVII do XIX w. oraz siedemnastowieczną francuską kopię słynącej cudami figury Matki Bożej z Altötting z końca XIII wieku.

Eksponowane "sali renesansowej" portrety to obrazy po części pochodzące z pinakoteki rodu Załuskich. Niewątpliwą ozdobę tego zbioru jest "Dama z wachlarzem" pędzla Gijsberta Sibilli (1598-1652), Holendra, pozostającego pod wpływem Rembrandta Van Rijn.

Ponad 500 eksponatów liczy kolekcja ceramiki pokuckiej. Zimę 2013 roku po wieloletniej przerwie udostępniono stałą wystawę tej części zbiorów.

12.08.2016 r. w podziemiach południowego skrzydła zamku otwarto zamkową "Zbrojownię" ze stałą wystawą militariów i udostępnionym dla publiczności poniemieckim schronem, który zbudowano na zamkowym wzgórzu w latach 40. XX w. Podkreślić należy, ze w muzealnym archiwum znajduje się tysiące cennych dokumentów i fotografii związanych z regionem.

Zbioty archeologiczne obejmują znaleziska począwszy do epoki kamienia po czasy nowożytne. Ważne miejsce zajmują w nim artefakty odkryte na grodzisku Horodyszcze w Trepczy oraz złota moneta celtycka z wyobrażeniami Ateny i Nike. 27 czerwca 2015 r. w zamkowych piwnicach otwarto stałą ekspozycję archeologiczną "Historie w ziemie zapisane".

Bogato przedstawia się dział sztuki współczesnej. Jego podstawę stanowią dzieła artystów polskich tworzęcych we Francji. Wśród nich trzeba wymienić m.in.: Olgę Boznańską, Józefa Pankiewicza, Tadeusza Makowskiego, Wacława Zawadowskiego, Wacława Żaboklickiego, Ludwika Lille, Hannę Rudzką-Cybisową, Jana Cybisa, Artura Nachta-Samborskiego, Emila Krchę, Jana Ekierta, Józefa Jaremę, Marię Sperling, Jana Lebensteina, Arikę Madeyską i Edwarda Barana. 

Początek tej kolekcji stanowił dar Marii i Franciszka Prochasków z lat 60. i 70. XX w. Zbiory wzbogaciły także obrazy Juliusza Studnickiego, Otto Axera, Marii Szulczewskiej de Regibus, Józefa Natansona, Hanny Zawy-Cywińskiej, Janiny Dobrzyńskiej. Z ziemią sanocką wiążą się nazwiska wielu wybitnych artystów m.in. Leona Getza, Izabeli Rapf-Sławikowskiej, Anny i Tadeusza Turkowskich, Romana Tarkowskiego, Stanisława Batrucha, Kazimierza Starościaka, Eugeniusza Wańka, Stanisława Puchalika, Adama Konieczko. Swoją galerię w zamkowych podziemiach ma pochodzący z Płowiec k. Sanoka Marian Kruczek. 

Poczesne miejsce wśród artystów sanockich zajął Zdzisław Beksiński. Dzięki sporadycznym zakupom i licznym darom malarza uwieńczonych testamentowym zapisem – muzeum stało się po tragicznej śmierci darczyńcy właścicielem tysięcy jego prac. Rysunki, grafiki, fotografia artystyczna, reliefy, rzeźby, obrazy i fotomontaże komputerowe – dokumentują wszystkie okresy twórczości artysty. Muzeum posiada także szereg nagrań, filmów, zapisków i dokumentów związanych z jego życiem i twórczością. Wiele z nich, łącznie z wyposażeniem warszawskiej pracowni malarza, trafiło na stałą wystawę w odbudowanym skrzydle.