Bien qu'il soit appelé musée des sciences, il s'agit en réalité davantage d'un musée de l'industrie. Il possède des modèles fonctionnels et des équipements réels datant de la révolution industrielle du 18e siècle, de la grande ingénierie victorienne, de l'ère des avions et de l'espace au 20e siècle.
Le Musée des sciences possède plus de 300 000 objets, dont des pièces célèbres telles que la Fusée de Stephenson, Puffing Billy (la plus ancienne locomotive à vapeur encore en service), le premier moteur à réaction, un remake du modèle d'ADN de Francis Crick et James Watson, certaines des plus anciennes machines à vapeur encore en service, un exemple fonctionnel du moteur Difference de Charles Babbage (et ce dernier, un demi-cerveau préservé), le premier prototype (modèle provisoire) de l'horloge de 10 000 ans de l'époque, et la documentation de la première machine à écrire. Il contient également des centaines de pièces interactives. Un ajout récent est le cinéma IMAX 3D qui présente des documentaires sur la science et la nature, la plupart en 3D, et l'aile Wellcome qui se concentre sur la technologie numérique.
Le musée abrite quelques-uns des nombreux objets recueillis par Henry Wellcome qui ont trait à la médecine. L'exposition du quatrième étage s'intitule "Glimpses of Medical History", avec des reconstructions et des dioramas de l'histoire de la médecine. La galerie du cinquième étage est intitulée "Science et art de la médecine", avec des expositions d'instruments et de pratiques médicales de l'Antiquité et de nombreux pays. La collection comprend de nombreux objets de la médecine clinique, des biosciences et de la santé publique. Le musée est membre des London Museums of Health & Medicine.
Le Science Museum dispose d'une bibliothèque spécialisée et, jusque dans les années 1960, était la bibliothèque nationale britannique pour la science, la médecine et la technologie. Elle contient des séries de périodiques, des livres anciens et des manuscrits, et est utilisée par des chercheurs du monde entier. Pendant plusieurs années, elle a été gérée conjointement avec la bibliothèque de l'Imperial College, mais en 2007, la bibliothèque a été divisée en deux sites. L'histoire des sciences et les biographies des scientifiques sont toujours conservées à l'Imperial College de Londres. Le reste de la collection, qui comprend des travaux scientifiques originaux et des archives, se trouve désormais à Wroughton, dans le Wiltshire.
Quelque 170 000 objets qui ne sont pas exposés actuellement sont stockés à la Blythe House de West Kensington. La Blythe House abrite également des installations comprenant un laboratoire de conservation, un studio photographique et une zone de quarantaine où les objets nouvellement arrivés sont examinés.