收藏品中，仅一部分用于展出，另有相当数量出借给世界其他博物馆展用。除实物陈列外，该馆有许多设备供观众操作。第一层门厅内“飞行里程碑”，展出莱特兄弟製造的世界第一架动力飞机，R．H．戈达德设计的最早的现代火箭，世界第一架超声速飞机，苏联和美国首次发射的人造卫星，美国第一艘载人宇宙飞船，飞近金星的“水手2号”、“阿波罗11号”宇宙飞船及登月队採回的月岩标本等。其他展厅分别展出民用航空、直升飞机、小型私人飞机、航空娱乐、飞行试验、宇宙知识、火箭和空间技术、人造卫星、月面探索、航空和空间技术对社会发展的影响等。第二层各展厅展出两次世界大战期间的军用飞机、水上飞行和舰载飞机、气球与飞艇和空中交通管制、阿波罗登月、航空工程、航空美术等内容。特展厅用作临时展览，有的展品借自国外。第二层有一个空间环境研究中心，专家可在此研究宇宙空间、地球和月球的物理、化学与地质情况。