Εκτός από τα όργανα που χρησιμοποιούνται στις αίθουσες διδασκαλίας του μουσικού ιδρύματος, το Κ.Ω.Θ. διαθέτει και μία ευρεία δανειστική συλλογή εγχόρδων και πνευστών οργάνων, η οποία βρίσκεται στη διάθεση των σπουδαστών του.

Πέραν αυτών, το Κ.Ω.Θ. κατέχει μία μεγάλη συλλογή συλλεκτικών οργάνων μουσειακού χαρακτήρα λόγιας δυτικοευρωπαϊκής μουσικής, παραδοσιακής ελληνικής μουσικής και εξωευρωπαϊκών μουσικών πολιτισμών, η οποία ξεκίνησε να δομείται από τα πρώτα χρόνια λειτουργίας του κατά τις αρχές του εικοστού αιώνα και διευρύνθηκε με την προσθήκη πολλών παραδοσιακών μουσικών οργάνων κατά τη διάρκεια της διεύθυνσής του από τον συνθέτη και μουσικολόγο Δημήτριο Θέμελη την περίοδο 1971 – 1985.

Μέσω της συλλογής αυτής, κομμάτι της οποίας εκτίθεται μόνιμα στην κεντρική αίθουσα συναυλιών του ωδείου, το Κ.Ω.Θ. συμβάλλει στην διαφύλαξη και την ανάδειξη των οργάνων παραδοσιακής μουσικής, στην ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας μέσω ανάπτυξης συναφών εκπαιδευτικών προγραμμάτων και στην γνωριμία των σπουδαστών με διαφορετικούς μουσικούς κόσμους.