За время своего существования несколько поколений сотрудников работали над пополнением уникальной музейной коллекции. Велась активная поисковая, собирательская, ремонтно-восстановительная и реставрационная работа.

Были найдены, отреставрированы и включены в экспозицию раритетные летательные аппараты периода Первой мировой и Гражданской войн: "Форман-IV", "Илья-Муромец", "Вуазен" и "Сопвич"; самолеты Великой Отечественной войны: истребители Ла-7, Як-9у, штурмовик Ил-2, бомбардировщики Пе-2, СБ, ДБ-3Ф, разведчик Р-5; авиационная техника иностранного производства: "Бостон", "Митчелл", "Кинг-Кобра"; собрание реактивной, сверхзвуковой, стратегической и армейской авиации пополнилось крылатыми машинами МиГ-9 и Ла-15, Як-38 и Бе-12, Су-17 и Су27, МиГ-29 и Су-35, экспериментальными ракетоносцами М-50 и Су-100, вертолетами Ми-12, Ми-26, Як-24, Ка-25 и многими другими.

Значительная помощь музею в формировании его коллекции была оказана Центральным Домом авиации и космонавтики имени М.В. Фрунзе. Некоторые материалы из художественного и знаменного фондов предоставлены Центральным музеем Вооруженных Сил СССР, а также научно-мемориальным музеем H.Е. Жуковского. Большая работа по восстановлению самолетов и пополнению его фондов проделана ведущими конструкторскими бюро страны: О.К. Антонова, Г.М. Бериева, С.В. Ильюшина, H.И. Камова, С.А. Лавочкина, М.Л. Миля, А.И. Микояна, В.М. Мясищева, П.О. Сухого, А.H. Туполева, А.С. Яковлева.

Все это позволило создать уникальное музейное собрание, представляющее многообразный и увлекательный мир авиации, героический подвиг авиаторов, покоривших просторы пятого океана.

По количеству музейных предметов, богатству и насыщенности документов и материалов по истории развития авиации музей не имеет аналогов в стране и по праву является одним из ведущих авиационных музеев мира. Сегодня в фондах музея собрано более 45 тысяч ед.хр. Основу музейного собрания составляют образцы авиационной техники:

181 летательный аппарат (самолеты, вертолеты, планеры и др);

310 моделей летательных аппаратов;

134 различных образцов авиационных двигателей;

2547 экземпляров авиационного вооружения;

686 единиц авиационного оборудования;

91 средство спасения.

Фототека музея насчитывает около 15 тыс. негативов. Книжный фонд составляет свыше 7,5 тыс. экземпляров специализированной литературы. В кинотеке хранится около 100 документальных фильмов по истории развития авиационной техники и боевого применения ВВС. В музее собрана значительная коллекция изобразительных источников (скульптура, произведения живописи), отражающая жизнь и деятельность Военно-воздушных сил.

Коллекция музея широко известна как у нас в стране, так и за рубежом. 57 экспонатов музея прошли сертификацию и признаны "Памятниками науки и техники Российской Федерации".