Museon merkittävimmät objektit ovat 82 ilma-alusta. Ilma-aluskokoelman tähtiä ovat Consolidated-Vultee Convair 340/440 Metropolitan -liikennelentokone vuodelta 1953, I.V.L. A22 Hansa -meritiedustelukone vuodelta 1922 ja Messerschmitt Bf 109G-2:n hylkylöytö. Ilma-aluksiksi luetaan myös museokokoelmamme 1970-luvun riippuliitimet ja suomalaisen Veikko Kasevan kuumailmapallokuoret korineen. Muita suurikokoisia ja merkittäviä kokoelmaesineitä ovat 29 moottoria ja 14 ohjaamoharjoittelulaitetta.
Ilmailumuseon museokokoelmaan on liitetty noin 10 000 esinettä, noin 20 000 valokuvaa ja arkistossa on noin 1500 hyllymetriä aineistoja. Valokuvat ovat määrällisesti museon laajin aineisto, sillä niitä on arvioitu olevan yhteensä noin 285 000. Ilmailumuseo on avannut Finna-aineistohakupalvelussa jo huimat 9785 valokuvaa kaikkien käyttöön. Museon monipuolisiin kokoelmiin voi tutustua Finnassa.