La nivelul anului 2004, zestrea muzeistică a instituţiei include 24 de colecţii şi 5 arhive documentare, cuprinzând în total peste 15.000 de titluri care au aparţinut pionierilor aeronauticii româneşti şi mondiale, peste 20.000 de volume de specialitate, precum şi un parc cu 62 de piese muzeistice – aeronave, piese de artilerie, rachete antiaeriene, radare. Printre cele mai valoroase colecţii ale muzeului se numără următoarele: -Aurel Vlaicu - obiecte personale, documente, brevete, scrisori, fotografii originale,mască mortuară. - Henri Coandă - colecţie unică în lume, cuprinzând 80 de colete doar în parte cercetate, diplome, pliante, fotografii, stenograme, insigne, manuscrise originale, scrisori, obiecte personale

- Smaranda Brăescu - 200 de fotografii originale - Elie Carafoli - Henri August - creator de aparate de zbor (fotografii originale din 1909 - 1910) - Petre Ivanovici - pilot în vestita escadrilă “Dracii Roşii” (fotografii originale şi carnete de zbor 1926 - 1931) - Radu Manicatide - documente personale şi caiete de însemnări. - Francisc Galeno - comandantul Grupului 5 Bombardament în timpul celui de al doilea război mondial, decorat cu cea mai înaltă distincţie de aviaţie – Ordinul “Virtutea Aeronautică” în grad de comandor. - Alexandru Marcu - unul dintre primii piloţi români care au zburat avionul supersonic MiG-21. De asemenea, în principalele clădiri ale muzeului sunt amenajate, pe spaţii largi următoarele săli principale: - Sala Traian Vuia, ce cuprinde momentele de vârf ale aeronauticii româneşti, - Sala Henri Coandă - motoare, machete, etc. - Sala Radu Manicatide - mai multe tipuri de aparate de zbor construite de acest celebru inginer român - Sala uniformelor şi însemnelor oficiale ale Forţelor Aeriene Române din perioada 1947–2005 - Sala istoriei radiolocaţiei - Secţia de istorie rachetelor şi cercetării spaţiale funcţionează la Mediaş, în casa ce a aparţinut savantului sibian Hermann Oberth şi care cuprinde şi aspecte din activitatea astronauţilor români Dorin Prunariu şi Dumitru Dediu. Această secţie reprezintă un muzeu în sine, având 26 de săli.