La colección comenzó a formarse a partir de las primeras décadas del siglo XX con calcos escultóricos -reproducciones en yeso- de obras maestras, que llegaron al país en distintas épocas y de diversas procedencias. Entre mediados de los siglos XIX y XX, la producción de calcos fue una práctica muy difundida gracias a la alta divulgación comercial que estas piezas tuvieron. Los principales museos europeos tenían sus propios talleres de calcos de las obras de arte más conocidas de sus propias colecciones que vendían a través de sus catálogos ilustrados. La colección del Museo de la Cárcova cuenta con ejemplares de talleres de museos como el Louvre de París, el Británico de Londres o el Gipsformerei de Berlín.
A través de sus copias el Museo abarca más de 4000 años de historia, proponiendo múltiples recorridos a través del arte egipcio antiguo, mesopotámico asiático, hindú, griego, romano, románico, gótico, renacentista, manierista, mesoamericano y andino.
El valor destacado de la colección es la calidad de muchos de los calcos dado que provienen de talleres oficiales, que garantizaban un estándar de calidad en la copia, y cuya certificación se puede comprobar gracias a las plaquetas de procedencia que muchos de los calcos poseen. Inclusive, algunas piezas pertenecientes al Museo son copias de obras originales que se han perdido por diferentes acontecimientos, de modo que se han convertido en documentos en sí mismos. La última incorporación fue en 1993 con la importante cantidad de piezas que hoy integran la Sala de Arte Mesoamericano y Andino.
Como parte de la puesta en valor del edificio llevada a cabo entre 2009 y 2012, alrededor de 200 piezas de la colección fueron restauradas y consolidadas por el Taller de Restauración, Conservación y Producción del Museo responsable de la preservación de su patrimonio.
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