Die etwa 1200 Objekte umfassende Sammlung gehört neben La Chaux de Fonds und Genf zu den bedeutendsten und grössten der Schweiz und erfreut sich internationaler Reputation. Sie geht aus vier 1919 und in den 1980er Jahren zugegangenen Privatsammlungen sowie aus den seit 1870 regelmässigen Zuwendungen und Ankäufen hervor. Dazu kommen als Dauerdeposita zwei Sammlungskomplexe wissenschaftlicher Instrumente der Universität Basel (Astronomische Anstalt, 1960, und Physikalisches Institut, 1986).

Im Jahre 1919 wurden als Legat von Marie Bachofen Vischer (Basel) 250 Taschenuhren des 16. bis 19. Jahrhunderts unterschiedlicher Provenienzen aufgenommen. 1982 gingen als Legat von Carl und Lini Nathan Rupp (Binningen) 242 Uhren desselben Zeitraums an das Museum über, darunter allein 22 Kutschenuhren. Ebenfalls 1982 durfte das Museum als Dauerdepositum die Sammlung von Emanuel George Sarasin Grossmann (Basel) mit den Schwerpunkten Elementaruhren (Sonnenuhren) und wissenschaftliche Instrumente (200 Objekte) entgegennehmen. 1983 schliesslich kam eine der bedeutendsten Privatsammlungen hinzu, die 208 Uhren der Dr. Eugen Gschwind Stiftung. Sie stammen aus dem deutschen, französischen, niederländischen und englischen Sprachraum und sind zwischen dem 15. und dem frühen 19. Jahrhundert entstanden. Dazu gehört unter anderem die grösste Anzahl von Goldemailuhren der Genfer Emailleure Huaud. Die Blütezeit der Basler Uhrmacherei (16. bis 18. Jahrhundert) ist durch etwa 80 Uhren dokumentiert.