Музеј располаже једним од највећих изложбених простора у Београду, у којем се одржавају, како стручне музејске, тако и гостујуће, претежно уметничке изложбе. Од  оснивања до данас, у Музеју је одржан велики број стручних изложби између којих издвајамо: „Тито и железничари Југославије“ (1977), „40 година пруге Брчко – Бановићи“ (1986), „Спорт Београдског железничког чвора“, „Железничка станица Земун“ (2013), „Шест величанствених“ (2015), „Четврта армија – српски железничари у Првом светском рату“ (2018), „Београдски железнички чвор као уметничка инспирација“ (2019). Музеј је 2019. године био домаћин изложбе „Тајне београдске железничке станице“, која је најпосећенија изложба у историји Железничког музеја.

Изложба којом је обележен велики јубилеј – „На колосецима прошлости“, 70 година Железничког музеја, одржана је септембра 2020. године. Потом су уследиле: „55 година листа Пруга“ (2021); Железничко школство кроз време“ (2021); „Настанак и изградња железнице у Србији до Првог светског рата“ (2022); „140 година железничког здравства“ (2023); „Седамдесет година од прве сталне поставке Железничког музеја“ (2023); „Сто четрдесет година српских железница“ (2024).

Поводом обележавања  седам и по деценија постојања, септембра 2025. отворена је изложба слика Василија Николајевича Резникова – „ Колосек у боји“. Овај изузетно вредан циклус уметничких  слика из Фонда Железничког музеја посвећен је изградњи омладинских пруга на простору бивше Југославије.

Од 1983. године Музеј организује изложбу дечјих радова „Железница очима деце“, која се традиционално одржава у Галерији током децембра и јануара већ више од четири деценије.