Wystawa stała mieści się w trzech salach wystawowych oraz w skansenie na zewnątrz budynku Stacji.

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.).

Ekspozycja jest kontynuowana w drugiej sali wystawowej. Bogatą część kolekcji w tej sali stanowią eksponaty pamiątkowo-historyczne; archiwalia (np.: dokumenty osobiste kolejarzy, rozkłady jazdy, bilety kolejowe, patenty na maszynistę oraz listy frachtowe polskie i zagraniczne); urządzenia.

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.

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.