該館主要收藏反映美國航空航天史的飛機、發動機、火箭、登月車及著名航空員與宇航員用過的器物。展出各種飛機300多架、太空飛行器100多種、火箭和導彈50種、發動機400多臺、螺旋槳350副及大量模型。展品中有1783年孟特戈爾菲兄弟乘坐飛越巴黎上空的氣球復制品，1969年美國發射的阿波羅-11飛船登月艙和3名宇航員乘坐的哥倫比亞指令艙以及自月球帶回的巖石標本，1976年維京-1宇宙飛船拍攝的火星特寫鏡頭。
該館還展出了第壹、第二兩次世界大戰中使用過的各種型號的軍用戰鬥機、偵察機、轟炸機，以及民用航空飛機、直升飛機、小型私人飛機等。展品中除少數因體積太大而改用仿制品外，絕大多數都是原物或備用件。其中還有中國造的人造衛星的運載火箭。展廳三面和樓上還有許多展覽室，有的在不斷播放電視，反復介紹人類航空航天的發展歷史和作出重大貢獻的科學家、宇航員，有的展室懸掛著從第壹個飛上太空的蘇聯宇航員加加林少校到後來十多位乘坐宇宙飛船的宇航員、包括登上月球的美國宇航員的照片和文字介紹。