Найчисленнішою в Музеї є колекція холодної зброї в її історичному розвитку. Це зброя кам’яної, мідної бронзової та ранньої залізної доби, зброя кочовиків, часів Великого переселення народів, Київської Русі та українського козацтва. Також наявні знаряддя праці, інструменти, елементи спорядження, кінської збруї та прикраси цих періодів.
Національний військово-історичний музей України зберігає значну колекцію документальних матеріалів. Це зібрання пам'яток як в рукописному, так і в поліграфічному виконанні. Воно включає рукописи, стародруки, періодичні видання ХІХ-ХХІ ст., книги з автографами авторів та видатних особистостей, нагородні документи, листи.
В музеї зберігається цікава колекція листівок, в яких відображені питання міжнародного і внутрішнього життя нашої країни. Перебіг бойових дій та окремих військових операцій, вишколів та бойової підготовки військовослужбовців розкриває добірка бойових листків, наказів, донесень та звітів. У фонді містяться персональні документальні колекції визначних військовиків СРСР та України. Серед них можна зазначити послужний список гетьмана Української держави Павла Петровича Скоропадського з російської імператорської армії та особову справу командира одного з найбільших радянських партизанських з’єднань часів Другої Світової війни Сидора Ковпака.
Серед пам'яток світової історії прапори займають особливе місце. З давнини вони служать відзнаками військових підрозділів та формацій і мають глибокий символічний зміст – прапор є військовою святинею, знаком єдності і честі.
Зібрана колекція налічує понад 300 бойових, шефських, подарункових, трофейних прапорів, що відображають різні етапи історії нашої країни: від періоду УНР до сучасності. Однією з реліквій музейної колекції є прапор 3-ї залізної стрілецької дивізії армії УНР. Також в експозиції представлені прапори українських міліарних ветеранських організацій, що емігрували за кордон після національно-визвольних змагань 1917-1921 років.
Державні прапори із зони АТО складають важливу частину фонду. Своєрідним символом боротьби України за територіальну цілісність є «Іловайський» прапор. Він був знайдений пошуковцями Національного військово-історичного музею України у вересні 2014 р. на полі бою неподалік від смт. Кутейникове під час пошуку решток загиблих українських вояків. 28-го вересня 2015 року «Іловайський» прапор був продемонстрований українською делегацією на Генеральній асамблеї ООН у Нью-Йорку на знак протесту під час виступу представника Російської Федерації.
Фонд образотворчого та декоративно-ужиткового мистецтва музею включає в себе велику колекцію картин, скульптур, сувенірної та пам’ятної продукції військово-історичної тематики.
Окремою виставкою в музеї представлені графічні роботи картини заслуженого художника УРСР (1974) Георгія Васильовича Малакова (1928-1979), який належить до числа провідних майстрів української станкової та книжної графіки 1960-70-х років. Творам притаманні риси яскравої індивідуальності, високої майстерності, широти творчої фантазії. Шанувальників творчості Георгія Малакова завжди приваблює висока пізнавальність його творів, насичених великою кількістю документально точних атрибутів побуту, військового спорядження.
Експозицію музею доповнюють батальні картини видатного художника України Андрія Серебрякова.
У речовому фонді НВІМУ знаходяться предмети і колекції, виявлені під час проведення археологічних розкопок, окремі випадкові знахідки окремі предмети нумізматики і нумізматичні колекції, боністика (паперові грошові знаки), сфрагістика (печатки), колекція предметів форми одягу, спорядження та знаків розрізнення РСЧА, Радянської Армії і ВМФ, Збройних Сил України.
Велику частину фонду складають матеріали, пов’язані з Революцією Гідності та подіями на сході країни. Цінні речі знаходили активісти, привозили бійці під час ротації, а також збирали на полях битв самі працівники музею.
Національний військово-історичний музей України володіє цінними колекціями авіаційних комплексів, бронетанкової техніки, зенітно-ракетних комплексів, техніки служб забезпечення тилу ЗС СРСР та Збройних Сил України, артилерійського озброєння і боєприпасів, стрілецької та холодної зброї, засобів військового зв'язку тощо. Ви можете ознайомитися зі зразками військової техніки та озброєння як в центральному музеї, так і в наших філіях.
В експозиції НВІМУ представлена широка добірка вогнепальної та холодної зброї кінця 18-20 ст.
Сьогодні колекційне зібрання фонду військової техніки та озброєння налічує понад 52 тисячі одиниць.
Фото-фоно-відеофонд музею є зібранням матеріалів з історії військової справи України. Колекція нараховує понад 9 тисяч одиниць зберігання. У складі фонду цінні та рідкісні світлини кінця XIX – початку XX століття, альбоми з фотографіями, чорно-білі негативи, діапозитиви (слайди), в тому числі видавничі, фоно- і відеозаписи, зокрема платівки для грамофонів, патефонів,
кінофільми документальні і художні.
В фондах зберігаються фотографії з особистого архіву фотографа Ю.Щокова, що присвячені Чорнобильській катастрофі 1986 року та роботи сучасних фотографів О.Клименка, Ю.Каріна, С.Попсуєвича про діяльність українського військового миротворчого континенту та військових навчань “Сі-Бриз”, “Південь”, “Артерія”, “Ендевор Комбанд” та ін.Велику частину фонду складають матеріали, пов’язані з Революцією Гідності та подіями на сході країни: записані інтерв'ю, фотографії бійців, живих та загиблих у боях, а також фото з перебігу бойових дій та дозвілля наших солдат.
Фонд нагород складається з орденів, медалей, нагрудних знаків починаючи з часів Царської Росії до сьогодення. Одними з найбільш цінних є нагороди Гетьмана України Павла Скоропадського – орден святого Георгія 4-го ступеня та орден Червоного Орла.
Основу фонду складають нагороди часів СРСР якими були нагороджені українці за боротьбу з нацизмом. Також в фондах музею є колекції ветеранських нагород періоду національно-визвольних змагань 1917-1921 років та сучасних державних нагород України.