În Pavilionul Aviație întâlnim una dintre cele mai valoroase colecții de tehnică militară din România. Expoziția este formată din aeronave, motoare, elici, machete dar și din câteva elemente legate de zborul cosmic al lui Dumitru Prunariu (14-22 mai 1981).

Epoca pionierilor aeronauticii este reprezentată de replicile aparatelor Vuia 1, primul avion care a realizat un zbor mecanic complet, la 18 martie 1906, Coandă 1910, precursorul avioanelor cu reacție din zilele noastre, și Vlaicu II, avion construit de Aurel Vlaicu în 1911, la Școala de Arte și Meserii, și distrus în accidentul din 31 august 1913, în urma căruia constructorul și-a pierdut viața. Dintre elementele originale ale aparatului Vlaicu II, în pavilion sunt expuse volanul, o roată și componente ale motorului rotativ Gnome Rhône de 50 CP.

Pentru perioada interbelică și cea a celui de-Al Doilea Război Mondial muzeul prezintă două exponate clasate în categoria „Tezaur”: avionul Fleet-10G, pentru școală faza I și legătură, și avionul pentru școala de vânătoare Nardi FN-305; ambele au fost fabricate în România, sub licență. Alături de acestea se află și replica avionului de vânătoare I.A.R.-80, fabricat la uzinele I.A.R. din Brașov (producția de serie s-a derulat în perioada 1939-1945). De asemenea, mai sunt expuse câteva elemente originale ale avionului I.A.R.-81 nr. 426, doborât la 21 aprilie 1945 în Slovacia, avându-l la bord pe locotenentul Gheorghe Mociorniță.

Perioada Războiului Rece este reprezentată atât de aparate sovietice (Iak-11, avion de școală modificat în 1954 la Atelierele Pipera pentru acrobație aeriană) și MiG-19 secționat (avion de vânătoare supersonic, intrat în înzestrarea aviației militare române în 1958), cât și de aparate fabricate în România: avionul subsonic pentru atac la sol și vânătoare-bombardament I.A.R.-93, (proiectul româno-iugoslav YUROM) elicopterul I.A.R.-316 B (licență franceză Aérospatiale Alouette III) și motoplanorul I.C.A. IS-28 M2.

Una dintre cele mai mari atracții ale muzeului este capsula spațială cu care cosmonauții Dumitru Prunariu și Leonid Popov au revenit pe Terra la încheierea Misiunii Soiuz 40 (parte a programului Intercosmos).