Automobilová sbírka Národního technického muzea má národní, respektive teritoriální charakter. Se dvěma či třemi výjimkami obsahuje pouze automobily, které byly na území dnešní České republiky vyrobeny, nebo jejichž provozní historie je s tímto územím úzce spjata.
Více než stoletá tradice domácí automobilové výroby je samozřejmě v Národním technickém muzeu sbírkotvornou prioritou. Zatímco je produkce nejvýznamnějších domácích automobilek ve sbírce dokumentována proporcionálně, v celém svém historickém průřezu, jsou menší výrobci zastoupeny jen vybranými kusy. Vedle uceleného průřezu výroby tří historicky nejvýznamnějších domácích automobilových výrobců NW — Tatra, Laurin & Klement — Škoda a Praga tak jsou zde zastoupeny i automobily Aero, Enka, Jawa, MTX, RAF, Velox, Walter, Wikov, Z a z poslední doby pak i „kolínská trojčata“ Toyota – Citroen – Peugeot.
Úroveň motoristického života na území České republiky však samozřejmě dokládají i automobily zahraničních výrobců, které byly v minulosti do země dovezeny a zde provozovány. Ty dnes tvoří zhruba čtvrtinu sbírky a jde o automobily vesměs velmi hodnotné. Je mezi nimi například nejstarší na světě dochovaný automobil z molsheimské továrny Ettore Bugattiho, velmi hodnotná kolekce osmi vozů Benz, Mercedes a Mercedes-Benz nebo nejstarší existující vůz značky Audi.
Významově samostatnou kapitolu pak ve sbírce tvoří soubor automobilů, které jsou svou provozní historií úzce spjaty s nejvýznamnějšími událostmi obecných dějin země. Sbírka obsahuje automobily užívané téměř všemi domácími prezidenty, řadou premiérů, ale i významnými reprezentanty cizí moci z doby nesvobody země. Tyto automobily jsou autentickými svědky slavných i tragických okamžiků v pohnuté historii českých zemí.
První automobil získalo muzeum v roce 1919 prostřednictvím Ministerstva veřejných prací a šlo o počinek téměř symbolický. Číslem jedna muzejní automobilové sbírky se totiž stal vůz NW Präsident z roku 1898, který má v dějinách domácí automobilové výroby zcela výjimečné postavení. Stál u samého jejího zrodu, byl totiž úplně první.
Dalších sedm automobilů pak postupně rozšířilo sbírky muzea v letech 1927 až 1935. V prvních desetiletích své existence však muzeum, sídlící tehdy ve Schwarzenberském paláci na Hradčanech, mohlo z prostorových důvodů rozšiřovat svou automobilovou sbírku jen s krajní střízlivostí.
Počátkem roku 1948 byla pro Národní technické muzeum uvolněna první část prostor v novostavbě muzejní budovy na Letné. Jejich součástí byly i velká dvorana s přilehlými depozitáři, které byly určeny pro vystavení a uskladnění dopravních sbírek. V roce 1950 byla v této dvoraně otevřena dopravní expozice, která se okamžitě stala hlavním lákadlem muzea.
Poválečná doba byla obdobím velkých akvizičních možností, které se tehdejšímu kurátorovi dopravních sbírek Ing. Františku Štýdlovi podařilo skvěle využít. V roce 1962 měla sbírka již 42 automobily. Byly mezi nimi i takové klenoty jako první automobil provozovaný v českých zemích, Benz Viktoria z roku 1893, první domácí závodní vůz NW 12HP „Rennzweier“ z roku 1900, automobil Bugatti 13 z roku 1910, závodní automobily Bugatti 51 a Mercedes Benz W154, dvanáctiválcová Tatra 80 prezidenta Masaryka nebo Tatra 87 cestovatelů Hanzelky a Zikmunda.
Doby, kdy bylo Národní technické muzeum v celé zemi v podstatě jediným zájemcem o hodnotné historické automobily, skončily na přelomu padesátých a šedesátých let. Automobily se rychle staly předměty sběratelského zájmu, což akviziční možnosti muzea významně ztížilo. Přesto se muzeu dařilo a stále daří svojí automobilovou sbírku rozšiřovat a obohacovat. V posledních šedesáti letech tak do sbírky přibyla další zhruba stovka automobilů, mezi nimi například přehlídkový automobil Mercedes Benz 770, unikátní sportovní coupé Jawa 750 „1000 mil československých“ nebo chassis závodního vozu Z-14 brněnské Zbrojovky. Kolekci automobilů domácích politických reprezentantů rozšířily vozy Renault 21 TSE a Mercedes Benz S 600 prezidenta Havla, čtyři reprezentační automobily užívané v sedmdesátých a osmdesátých letech nejvyššími komunistickými představiteli země, Tatra 700 předsedy vlády Miloše Zemana, nebo dva vozy Škoda Superb, užívané prezidenty Klausem a Zemanem. Z nejnovějších přírůstků je pak v první řadě třeba připomenout vůz Tatra 815 „Puma“, se kterým Karel Loprais třikrát vyhrál Rallye Dakar.
Zhruba třetinu svých sbírkových automobilů vystavuje Národního technické muzeum ve své dopravní expozici, zbývající jsou uloženy v depozitářích a slouží k příležitostným výstavám a prezentacím.