Aunque se llama museo de la ciencia, es más bien un museo de la industria. Cuenta con maquetas y equipos reales de la revolución industrial del siglo XVIII, la gran ingeniería victoriana, la era de los aviones y el espacio del siglo XX.
El Museo de la Ciencia alberga más de 300.000 objetos, entre los que se encuentran piezas tan famosas como el cohete de Stephenson, el Puffing Billy (la locomotora de vapor más antigua que se conserva), el primer motor a reacción, una réplica del modelo de ADN de Francis Crick y James Watson, algunas de las primeras máquinas de vapor que se conservan, un ejemplo en funcionamiento de la máquina diferencial de Charles Babbage (y este último, medio cerebro conservado), el primer prototipo (modelo en borrador) del Reloj del Largo Ahora de 10.000 años y documentación de la primera máquina de escribir. También contiene cientos de exposiciones interactivas. Una adición reciente es el cine IMAX 3D, que proyecta documentales de ciencia y naturaleza, la mayoría de ellos en 3-D, y el ala Wellcome, centrada en la tecnología digital.
El museo alberga algunos de los muchos objetos coleccionados por Henry Wellcome que tienen que ver con la medicina. La exposición de la cuarta planta se llama "Vislumbres de la historia de la medicina", con reconstrucciones y dioramas de la historia de la medicina. La galería de la quinta planta se llama "La ciencia y el arte de la medicina", con exposiciones de instrumentos y prácticas médicas de la antigüedad y de muchos países. La colección cuenta con muchos artículos de medicina clínica, biociencias y salud pública. El museo es miembro de los Museos de Salud y Medicina de Londres.
El Museo de la Ciencia cuenta con una biblioteca especializada, que hasta los años 60 fue la Biblioteca Nacional de Ciencia, Medicina y Tecnología de Gran Bretaña. Contiene tiradas de publicaciones periódicas, libros antiguos y manuscritos, y es utilizada por estudiosos de todo el mundo. Durante varios años se ha gestionado conjuntamente con la Biblioteca del Imperial College, pero en 2007 la Biblioteca se dividió en dos sedes. Las historias de la ciencia y las biografías de científicos se siguen conservando en el Imperial College de Londres. El resto de la colección, que incluye obras científicas originales y archivos, se encuentra ahora en Wroughton, Wiltshire.
En Blythe House, en West Kensington, se almacenan unos 170.000 objetos que no se exponen actualmente. Blythe House también alberga instalaciones que incluyen un laboratorio de conservación, un estudio fotográfico y una zona de cuarentena donde se examinan los objetos recién llegados.