Экспонаты музея наглядно представляют прошлое столичной магистрали в документах, уникальных чертежах, по которым строилась дорога, форменной одежде работников транспорта разных времен, рабочих инструментах, железнодорожных наградах.
В витринах можно увидеть экспонаты, рассказывающие о сегодняшнем дне столичной магистрали. Историю создания интермодальных линий, связывающих вокзалы Белорусский, Павелецкий, Киевский с аэропортами Шереметьево, Домодедово, Внуково соответственно, можно увидеть в макетах. Развитие скоростного движения представлено действующим макетом скоростного поезда «Сапсан», связавшего города Санкт-Петербург, Москву и Нижний Новгород.
Отдельный раздел экспозиции посвящен героическому труду железнодорожников в годы Великой Отечественной войны. Художественное решение экспозиции построено с учетом современных музейных технологий, сделан акцент на применение интерактивных решений, инсталляций, статичных моделей и макетов.
В залах представлены: инсталляция купе 1 класса николаевских времен, кабинета начальника станции, развитие пригородного движения во времени, где каждый пассажирский отсек соответствует стилю своей неповторимой эпохи.
В окнах вагонов мелькают кинозарисовки, а в витринах установлены экраны с фрагментами архивной хроники. Это помогает ориентироваться не только на зрительное восприятие, но и предполагает вдумчивое изучение представленных подлинных исторических документов.
Центральные экспонаты – паровоз серии У127 и багажный вагон № 1691, установленные в здании музея. Паровоз построен в 1910 году, является уникальным и единственным сохранившимся в России и мире паровозом этой серии с осевой формулой 2-3-0.
23 января 1924 года паровоз У127 провел траурный поезд с телом умершего Ленина от платформы Герасимовская до Павелецкого вокзала Москвы. В 1999 году паровоз получил сертификат «Памятник науки и техники 1 категории» № 350.
