中南大学档案馆馆藏档案分6个全宗：中南大学、中南工业大学、长沙工业高等专科学校、湖南医科大学、私立湘雅医学院、长沙铁道学院。根据《高等学校档案实体分类法》，馆藏档案分为党群、行政、教学、科研、产品生产与科技开发、基建、仪器设备、出版、外事、财会、声像11个类别。截至2014年底，馆藏各类档案133000卷，案卷排架总长度2476米。  

馆藏档案建国前珍贵档案有清代光绪三十二年的雅礼医院院舍和民国2年张贴街头的招生广告照片；民国3年中美合办“湘雅”合约（英文版）；民国8年出版的《新湖南》周刊创刊号（后由毛泽东接任该报第7-11期主编）；孙中山先生1925年为湘雅毕业生题赠的“学成致用”勉词；我国著名医学家张孝骞、汤飞凡、李振翩等在校读书时的毕业论文手稿（英文）、毕业合影；1930年清华大学与湖南育群学会合办“湘雅”草案以及30年代拍摄的《湘雅教学生活》无声电影片等。  

建国后珍贵档案有：1960年10月，原中南矿冶学院进入全国64所重点大学行列，中共中央发布的决定；1960年贺龙副总理视察学校，与师生员工代表合影；学校多次荣获党中央、国务院、中央军委的联合贺电；学校重大科技成果获得国家和省部级奖励证书；中科院院士陈国达教授的“地洼学说”专题档案，详细记载了“地洼学说”从孕育、形成、发展到成熟的全过程。