Die Technischen Sammlungen sammeln und bewahren Zeugnisse der Fotografie- und Technikgeschichte vom Beginn des Industriezeitalters bis zur Gegenwart. Schwerpunkte bilden neben der Fotografie und Kinematografie die Informations- und Kommunikationstechnik, von den ältesten Rechen- und Schreibmaschinen bis zur Mikro- und Nanoelektronik, von mechanischen Musikinstrumenten bis zur aktuellen AV-Medientechnik. Außerdem umfassen die Museumssammlungen Objekte der Mess- und Elektrotechnik, des wissenschaftlichen Gerätebaus, der Haushalts- und Medizintechnik.

Die Sammlungen sind die Basis der Museumsarbeit und bilden die Grundlage für die Erforschung und die Vermittlung von technischen Entwicklungen, von Innovationsprozessen, von Geschichte und Gegenwart industrieller Produktion und nicht zuletzt von den enormen Auswirkungen der Bild- und Informationstechnik auf Lebensweisen und gesellschaftliche Entwicklungen. Das Museum sammelt technische Apparate, Werkzeuge und Maschinen ebenso wie Fotografien, Film-, Video- und Tonaufnahmen, Software, Plakate und Broschüren, Schriftdokumente und Literatur.

Die Bestände sind in der Dresdner oder sächsischen Industriegeschichte verankert, enthalten aber auch zahlreiche Objekte zur Technikentwicklung im nationalen und internationalen Rahmen. Das gilt besonders für die Geschichte der Fotografie und die umfangreiche Kamerasammlung. Die Schreibmaschinensammlung ist die umfangreichste in einem europäischen Museum. Die Technischen Sammlungen besitzen Lochkartenmaschinen sämtlicher international bedeutenden Hersteller und mehrere Großrechneranlagen aus der DDR und der Sowjetunion.

Als Museum der Landeshauptstadt Dresden sammeln die Technischen Sammlungen außerdem Anlagen und Produkte zur Technologieforschung und High-Tech-Industrie im Dresden von heute.

Die fotografische Sammlung geht in ihrem Kernbestand auf das „Museum für Photographie“ zurück, das von 1957 – 1970 in Dresden als eigenständige Institution existierte. Dessen Bestände wurden durch das Polytechnische Museum übernommen und anschließend erweitert. Nach 1989 kamen das Bildarchiv des Kombinats VEB Pentacon Dresden sowie weitere Teilsammlungen hinzu.

Von besonderem historischem Wert ist der Bestand von Daguerreotypien aus dem 19. Jahrhundert. Die künstlerische Fotografie hat ihren Schwerpunkt in der Porträt- und Landschaftsfotografie. Bekannte Namen in der Sammlung sind beispielsweise Louis Held, Otto Ehrhardt, Hugo Erfurth, Franz Fiedler und Edmund Kesting. Von Bedeutung sind außerdem topografische Fotografien zur Stadt Dresden und ihrer Umgebung sowie Teilbestände, in denen sich die Regional- und Alltagsgeschichte der Fotografie widerspiegelt.

Zu den bedeutenden Bestandserweiterungen der vergangenen Jahre gehören das fotografische Tagebuch von Hugo Erfurth 1896 – 1930, die „Ansichten zu Deutschland“ von Konrad Hoffmeister sowie Arbeiten der Stipendiaten für Fotografie der Stadtsparkasse Dresden.