プロムナード
D51形式蒸気機関車の先頭部をはじめ、103系電車の先頭車クハ103形式のTR212形台車や、さまざまな車両の輪軸など、実際の車両のパーツを展示しています。また床面には、東北新幹線、山形新幹線、秋田新幹線の時刻表を描いており、その真上の天井には、新幹線のダイヤグラムをイメージした装飾を施しています。
シミュレータホール
実物の車両の運転台をそのまま使用したり、実物そっくりに造られた運転台に座って、前方のスクリーンに映し出される運転台からの眺めを見ながら、本物さながらの疑似運転体験ができるアトラクションです。（D５１のみ有料・予約制）
レストラン日本食堂
かつての食堂車の代名詞「旅のレストラン日本食堂」。当時食堂車で提供していたメニューを中心に、豊富なメニューを取りそろえています。外には、大宮総合車両センターの試運転線や川越線・高崎線を間近に見ることができます。
てっぱく図書室
てっぱく図書室では、鉄道に関する絵本や外国語版の鉄道図書をご覧いただけます。
実際に使用されていた鉄道車両の座席を設置し、旅行中の車内で本を読んでいるような体験ができます。
また、靴を脱いで親子でゆっくり絵本を楽しめるスペースもあります。
鉄博ホール
鉄道博物館が収蔵する映像資料などを上映するためのスペースです。また、特別な企画や催し物などがあった場合にも使用します。180人を収容することができ、大型スクリーンによる迫力ある映像を体感することができます。
キハ11形式気動車
当館で動態保存しているキハ11 25（キハ11形式25号）は、国鉄キハ10系グループに属する1両で、1956年に製造されました。国鉄が全国の非電化ローカル線の輸送近代化を目的として開発した気動車で、1953年からグループ総両数で728両が製造されています。
ミニ運転列車
芝生と木々を配したコースの中、自分で列車を運転することができる体験展示です。線路の延長は1周約300ｍ・線路幅550mm。車両はいずれもJR東日本の車両をデフォルメした10両の車両を用意しています。
1台200円（税込）・予約制／1台に3人まで乗車可能／運転は小学生以上です
ミニシャトル
「博物館中央」駅から「博物館北」駅までのおよそ230mの線路上を往復するミニ列車で（無料）、E2系1000番代「はやて」をモデルにしています。線路の幅はミニ運転列車と同じ550mmで、最高速度6km/hで運転されます。エントランスゾーンからノースウィングへの移動手段としても、ミニ「はやて」でのショートトリップをお楽しみください。
ラーニングホール1F
台車の分解・組立が体験できる「車両工場ラボ」、駅の仕事が体験できる「駅構内ラボ」、パソコンで鉄道車両をデザインできる「デザインラボ」の3つにわかれています。各ラボでは、インタープリタ（解説員）が体験型のプログラムの解説実演を行ないます。
