Derzeit umfasst die Museumssammlung ca. 5.000 Objekte – von der Brennstoffdüse einer A4-Rakete über Essgeschirr aus dem KZ-Arbeitslager Karlshagen I bis zum NVA-Pilotenhelm für MiG-Flugzeuge. Sie zu bewahren, wenn nötig konservatorisch zu behandeln bzw. zu restaurieren und zu erforschen, gehört zu den Kernaufgaben des Museums. Neben den Objekten, die in den Depots innerhalb des Museumsgeländes lagern, sind die materiellen Überreste der ehemaligen Versuchsanstalten und Siedlungen ein wichtiger Teil des Museums. Sie sind systematisch kartiert worden und als Denkmallandschaft öffentlich zugängig.
Die Objekte des Museums sind seit Anfang der 1990er Jahren zusammengetragen worden, allerdings noch nicht vollständig katalogisiert. Seit 2016 erfasst das Museum seine Sammlungen professionell, um ein modernes Sammlungsmanagement zu initiieren. Durch dieses Projekt sollen die Bestände dauerhaft gesichert und als Plattform für die Forschung zugänglich gemacht werden. Ziel ist es, dass auch externe Interessierte über eine Online-Datenbank in den Beständen des Museums recherchieren können.
Durch Leihnahmen und Leihgaben einzelner Ausstellungsstücke steht das Historisch-Technischen Museum in stetiger Kooperation und Vernetzung mit anderen Museen und Sammlungen.