Stacja Muzeum prowadzi bogatą działalność wystawienniczą. Oprócz wystawy stałej organizowane są wystawy czasowe. Wystawa stała mieści się w trzech salach wystawowych oraz w skansenie na zewnątrz budynku Stacji.
pierwsza sala wystawowa
W pierwszej sali znajduje się kolekcja pokazująca w układzie chronologicznym dzieje kolejnictwa na świecie i w Polsce – początki transportu kolejowego oraz kolejne etapy jego ciągłej modernizacji, następującej w wyniku postępu technicznego. Ekspozycja poświęcona kolejom w Polsce dokładnie przedstawia kolejne okresy związane z powstaniem transportu szynowego i jego rozbudową, począwszy od stworzenia pierwszych linii na ziemiach polskich, okupowanych przez trzech zaborców, ze szczególnym uwzględnieniem Drogi Żelaznej Warszawsko-Wiedeńskiej (otwartej w 1845 r.). Dalsze losy to: rozwój kolejnictwa w niepodległym państwie, funkcjonowanie kolei i skala zniszczeń w czasie II wojny światowej, odbudowa transportu kolejowego od 1945 r., elektryfikacja trakcji i transformacja do czasów współczesnych.
druga sala wystawowa
Ekspozycja jest kontynuowana w drugiej sali wystawowej. Bogatą część kolekcji w tej sali stanowią eksponaty pamiątkowo-historyczne (umundurowanie i akcesoria, szpady do mundurów paradnych, hełm kolejowej straży pożarnej, liczne odznaki, zegarki kolejarskie, piękne sztandary dawnych związków zawodowych i stowarzyszeń kolejarzy, pamiątkowe medale); archiwalia (np.: dokumenty osobiste kolejarzy, rozkłady jazdy, bilety kolejowe, patenty na maszynistę oraz listy frachtowe polskie i zagraniczne); urządzenia (np. nastawnia, semafory, aparaty telefoniczne i telegraficzne, dworcowe zegary, różnego typu lampy kolejowe oraz ręczne latarki sygnalizacyjne świecowe, karbidowe i naftowe). W obu salach znajduje się wyjątkowy zbiór modeli taboru (ok. 200 egz.), w skład którego wchodzą: modele parowozów, lokomotyw spalinowych i elektrycznych oraz wagonów pasażerskich i towarowych, a także kilka makiet zabytkowych dworców. Wszystkie zachwycają precyzją wykonania.
trzecia sala wystawowa
W trzeciej, najmniejszej sali wystawowej mieści się odwzorowany Salonik Recepcji Rządowej, otwarty na Dworcu Warszawa Główna w 1955 r. w związku ze Światowym Festiwalem Młodzieży w stolicy. Służył przez wiele lat do obsługi krajowych i zagranicznych delegacji rządowych.
na zewnątrz
Skansen Stacji Muzeum stanowi największy zbiór cennych pojazdów szynowych w Polsce zgromadzony w jednym miejscu. Liczy 50 jednostek, zbudowanych w różnych okresach historii kolejnictwa. Do ich prezentacji wykorzystany jest układ torowy. Na początku trasy zwiedzania godne podziwu są unikaty na skalę międzynarodową, tj.: wagon salonowy, EZT EW51 i pociąg pancerny. Na uwagę zasługują także: wagon motorowy SN52 (1955 r.), odrestaurowany w 2015 r. wagon bagażowo-pocztowy serii Fg (1908 r.), pług odśnieżny i wagon osobowy serii Bi (1928 r.), wykorzystywany na cele wystaw. W dalszej części skansenu największą grupę stanowią parowozy różnych typów, produkcji polskiej, niemieckiej i amerykańskiej. Kolekcję uzupełniają: lokomotywy elektryczne, pojazdy trakcyjne spalinowe i tabor wagonowy.
