Το μουσείο της Ταινιοθήκης αποτελεί ένα μικρό κόσμημα της κινηματογραφικής μας ιστορίας. Μεταξύ των σπάνιων εκθεμάτων που το συνθέτουν περιλαμβάνονται: η συλλογή από τις πρώτες κάμερες λήψης και προβολής και μια πλήρης σειρά μηχανών και αντικειμένων της τεχνικής επεξεργασίας ήχου και εικόνας. Εκτίθεται επίσης μια σειρά από «προ-κινηματογραφικά» μηχανήματα προβολής εικόνων όπως: ζωοτρόπια, κινητοσκόπια, πραξινοσκόπια, μαγικοί φανοί και άλλα.
Η ιστορία του Μουσείου ξεκινάει το 1990, όταν στο ισόγειο του Μεγάρου Δεληγιώργη, όπου στεγάζεται η Ταινιοθήκη της Ελλάδος, αναπτύχθηκε η συλλογή εκθεμάτων –γραφικών και μηχανικών– που συνέβαλλαν στη γέννηση της κινούμενης εικόνας.

Τα εκθέματα χωρίζονται σε 4 κατηγορίες:

1. Η πρώτη κατηγορία αφορά στην προϊστορία του Κινηματογράφου όπου μέσω σχεδίων αναπαριστώνται τα παιχνίδια με τις σκιές, οι βραχυγραφίες με τα πολύποδα ζώα, τα παιχνίδια με την κίνηση της φλόγας, κ.λπ.
2. Στη δεύτερη κατηγορία εκτίθενται γνήσιες μηχανικές κατασκευές που χρησιμοποιήθηκαν από τον 17ο έως το τέλος του 18ου αιώνα για την αναπαραγωγή της κίνησης. Στη σειρά αυτή εκτίθενται ζωοτρόπια, μαγικοί φανοί, φενακιστοσκόπια, γυροσκόπια, κ.λπ.
3. Η τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει το «μετείκασμα και τις εφαρμογές του»: δηλαδή, η φωτογραφία, οι φωτεινές δέσμες και οι φωτογραφικοί φακοί, το φιλμ και οι ιδιότητές του, η πρώτη λήψη των Αδελφών Λυμιέρ.
4. Τέλος η τέταρτη κατηγορία, η οποία είναι και η πιο πλούσια σε εκθέματα, περιλαμβάνει μηχανές κιν/φου –λήψης και προβολής– από το 1910 ως το 1970, εμφανιστήρια, εκτυπωτικές μηχανές, φωνοληπτικά μηχανήματα, τραπέζια μοντάζ και μια μεγάλη σειρά από εργαλεία που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς της τεχνικής της κινηματογραφικής επεξεργασίας.