Il Museo ha una superficie di 16.000 km2 ed è suddiviso in 4 grandi hangar. Nel Centro di documentazione è illustrata poi la storia del volo e dei suoi protagonisti.

Il Museo custodisce pezzi pregiati e unici, a partire dal Pallone di Garnerin, il più antico cimelio aeronautico esistente al mondo, sapientemente e pazientemente restaurato sotto la supervisione della Sovrintendenza dei Beni Culturali che ha curato anche il restauro del SIAI S.79 Sparviero.

Una collezione unica nel suo genere con circa 80 velivoli esposti: dal Blèriot, all’idrovolante austro-ungarico Lohner per poi passare agli idrocorsa: Vigna di Valle è il museo aeronautico che può vantare il numero maggiore di idrocorsa in esposizione, fra i quali spicca il Macchi MC.72 detentore del record di velocità per idrovolanti con oltre 709 km/h di media. Si prosegue poi con gli IMAM Ro.37 e Ro.43, con il FIAT G.212, ultimo plurimotore costruito dalla FIAT, il SIAI SM.82 e il CANT Z.506 che proprio a Vigna di Valle ha prestato servizio con il Soccorso Aereo. E ancora i jet del primo dopoguerra e quelli attuali, con una particolare attenzione alle missioni fuori dai confini nazionali, alla Pattuglia Acrobatica Nazionale, agli elicotteri e ai paracadutisti dell’Aeronautica Militare.

Il Museo accoglie inoltre anche nuovi velivoli nel settore dedicato al periodo moderno, come il Tornado IDS con livrea desertica, l’Eurofighter e gli elicotteri HH-3F e AB-212.

Uno degli edifici in prossimità del Museo, inoltre, è stato adibito ad area polivalente con esposizione di motori, divise e cimeli, aree didattiche, sale per mostre e una zona multimediale con simulatore di volo e realtà virtuale.