Η αεροπορική συλλογή του Μουσείου στεγάζεται κατά το μεγαλύτερο μέρος στο υπόστεγο “Λέρος”. Το υπόστεγο αυτό ανεγέρθηκε κατά την διάρκεια του Μεσοπολέμου απο τους Ιταλούς στην Λέρο και χρησιμοποιήθηκε ως βάση υδροπλάνων μέχρι τον Β΄ Π.Π.
Στην άμεσα μεταπολεμική περίοδο δύο από τα υπόστεγα της Λέρου μεταφέρθηκαν αποσυναρμολογημένα στην ηπειρωτική Ελλάδα, από τα οποία το ένα στήθηκε στην Δεκέλεια και το άλλο στην Ελευσίνα.
Τα υπόστεγα αυτά αποτελούν αξιομνημόνευτα μνημεία της τεχνολογίας αεροπορικών κατασκευών.
Ξεχωριστή θέση στην αεροπορική συλλογή του Μουσείου κατέχει το North American T-6G-1-NA Texan 49-3424, ένα ιστορικό αεροσκάφος μιας και είναι το πρώτο αεροπλάνο στην Ελλάδα που δέχτηκε τη φροντίδα συνεργείου τεχνικών και συντηρητών με σκοπό την αποκατάσταση του σε επίπεδα μουσειακού εκθέματος. Οι εργασίες στο αεροσκάφος με αριθμό 49-3424 άρχισαν το Μάρτιο του 1993 και έφτασαν σε αίσιο πέρας τον Οκτώβριο του ιδίου έτους.
Παρόμοιες εργασίες εκτελέστηκαν σε όλα τα υπό έκθεση ά/φη του Μουσείου. Μετά το Τ-6G Texan ήρθε η σειρά των F-86Ε Sabre (Canadair CL – 13Mk2), F-86D Sabre Dog και του ελικοπτέρου Sikorsky UΗ-19Β Chickasaw , που προετοιμάστηκαν για έκθεση μέσα στο 1994. Σε αντίθεση με τα F-86D και UH-19B που είναι βαμμένα ασημί, το F-86Ε αποκαταστάθηκε με τα εντυπωσιακά χρώματα του ακροβατικού σμήνους Ελληνική Φλόγα (μπλε – άσπρο – πορτοκαλί) πού το χρησιμοποίησε η ΕΒΑ από το 1957 ως το 1964.
Την άνοιξη του 1995 τρία εκθέματα μεγάλης μουσειακής και ιστορικής αξίας περιέρχονται στην κατοχή του Μ/ΠΑ. Πρόκειται για ένα De Havilland D.H. 82 A Tiger Moth, ένα Spitfire Μk.ΙΧc και ένα Curtiss SB2C-5 Helldiver, τα οποία προέρχονται από το Πολεμικό Μουσείο. Παρ΄ όλο που οι τύποι αυτοί στην Ελλάδα έδρασαν μεταπολεμικά, χρησιμοποιήθηκαν κατά κόρον στον Β΄ Παγκόσμιο πόλεμο. Το D.H. 82 A Tiger Moth ήταν το εκπαιδευτικό α/φος βασικής εκπαίδευσης στη RAF και την Βρετανική κοινοπολιτεία, το Spitfire έχει μείνει στην ιστορία για τη συμβολή του στη Μάχη της Αγγλίας ενώ το βομβαρδιστικό Helldiver έδρασε με το Αμερικανικό Ναυτικό στον Ειρηνικό τους τελευταίους μήνες του πολέμου.
Η αεροπορική συλλογή του Μουσείου εμπλουτίζεται συνεχώς σε εκθέματα, έτσι ώστε να μπορούν να επιδειχθούν στους επισκέπτες οι περισσότεροι μεταπολεμικοί τύποι αεροσκαφών της ΠΑ. Έχουν αποκτηθεί έως και αεροπλάνα που δεν ανήκαν στη δύναμη της, με σκοπό να υπάρχει μια γενικότερη αντιπροσώπευση της εξέλιξής του σε παγκόσμιο επίπεδο. Γι αυτό το λόγο υπάρχει επικοινωνία με ξένα μουσεία, προκειμένου να αποκτηθούν αεροπλάνα που δεν πέταξαν μεν στους ελληνικούς ουρανούς, κατέχουν όμως μια ξεχωριστή θέση στην ιστορία της Αεροπορίας. Καρπός μιας τέτοιας διαπραγμάτευσης με την Ολλανδία, αποτελεί το πολωνικής κατασκευής MiG-15 (Lim-2Rbis) του Μουσείου που πλαισιώνεται από ένα F-86E(M) της ίδιας περιόδου. Στο υπόστεγο εκθεμάτων μπορεί κανείς να δει επιπλέον ένα F-84G βαμμένο με τα χρώματα του πρώτου ελληνικού ακροβατικού σμήνους, το F-84F που το διαδέχθηκε, τα εκπαιδευτικά D.H.-82A Tiger Moth και N. A. T-6G-1-NA Texan.
Επίσης στον χώρο εκτός του υποστέγου «ΛΕΡΟΣ» το Μ/ΠΑ εκθέτει σειρά αεροσκαφών όλων των τύπων που χρησιμοποιήθηκα από την Π.Α. όπως:
- Μεταφορικά Αεροσκάφη Douglas C-47 Dakota, Grumman G159 Gulfstream I, Dornier Do.28D-2 Skyservant και Nord Ν.2501 Noratlas.
- Αμφίβια αεροσκάφη έρευνας / διάσωσης /ανθυποβρυχιακού πολέμου Grumman HU-16B ASW Albatross.
- Εκπαιδευτικά αεροσκάφη Lockheed T-33A kκαι Cessna T-37B/C
- Μαχητικά αεροσκάφη F-86E, F/TF-104G, F/RF-5A, Α-7Η καθώς και δύο διθέσια TF–102Α τα οποία έχουν την εξής ιδιαιτερότητα – το ένα διαθέτει την πτέρυγα Case Χ (Παραλλαγή SEA) ενώ το έτερο Case ΧΧ (Παραλλαγή Air Defense Gray).
- Οι πιο πρόσφατες προσθήκες στην αεροπορική συλλογή του Μουσείου είναι δυο Α-7Ε με επετειακό διάκοσμο «ΤΙΓΡΗΣ» και «ΟΛΥΜΠΟΣ» καθώς και ένα RF-4E (Early) επίσης με επετειακό διάκοσμο.
Επιπλέον στο χώρο αποθήκευσης και συντήρησης του Μουσείου περιλαμβάνεται αριθμός αεροσκαφών είτε προς αποκατάσταση είτε για ανταλαγή με άλλα Μουσεία του εξωτερικού. Ενδεικτικά αναφέρονται ένα ανεμοπλάνο Cavka, αριθμός από α/φη Τ-33Α, F/TF-104G, C-47B Dakota, T-6G Texan. Στο χώρο του Υποστέγου συντήρησης ευρίσκονται αποθηκευμένα με στόχο την μελλοντική τους αποκατάσταση δυο ιστορικά αεροσκάφη του Β’ ΠΠ, ένα Junkers Ju-87D Stuka και ένα Arado Ar-196A-5 τα οποία ανασύρθηκαν από την θάλασσα το μεν πρώτο από την περιοχή Πρασονησίου Νοτίως της Ρόδου το 2006, και το άλλο από την περιοχή μεταξύ Ικαρίας και Νάξου το 2013
Η αεροπορική συλλογή του Μουσείου ξεπερνά τα σαράντα α/φη και οι προοπτικές για την επαύξησή της είναι ευοίωνες.
Τέλος στη συλλογή του Μουσείου περιλαμβάνονται δύο αντιαεροπορικοί προβολείς του Β΄ Παγκόσμιου Πόλεμου, βοηθητικός εξοπλισμός εδάφους, αντιαεροπορικός οπλισμός, κινητήρες και οπλικά συστήματα α/φών, συσκευές τηλεπικοινωνιών, αεροπορικά κειμήλια, φόρμες χειριστών, στολές προσωπικού και πολλά άλλα. Έχει εξασφαλιστεί σχεδόν όλος ο μεταπολεμικός ελαφρύς οπλισμός τμημάτων εδάφους της ΠΑ και αποκτήθηκε μια σπάνια συλλογή τυφεκίων και όπλων αξιωματικών του Β΄ Π.Π.
