史密森尼博物館的國家航太館擁有史上知名的飛機和太空船的收藏，規模居全球之冠。它同時也是重要的研究中心，研究項目包括航空與太空飛行的歷史、科學和技術，以及地球科學和行星學。
國家廣場旗艦館
國家航太博物館的國家廣場館自從1976年開放參觀以來，已經成為全世界人氣最旺的博物館，凡是到華盛頓首府的遊客，都會將它列為必遊景點。博物館娓娓道來飛行的故事，從早期的熱汽球飛行，到沙漠中的小鷹號，再到當今的太空探險事蹟。展覽廳的重點陳設包括飛行史、太陽系、衛星影像、航空照片和宇宙探索。飛行史上的重要代表均在此展出，其中包括萊特飛機、聖路易精神號、阿波羅11號指揮艙。
美國國家航空展示中心
國家廣場館的陳列品僅佔史密森尼航太館藏的十分之一，其餘物件大部份在航空展示中心展出，包括史上第一架太空梭「發現號」，名為艾諾拉蓋伊號的B-29超級空中堡壘轟炸機，以及由洛克希德公司建造、史上最快的飛機「SR-71黑鳥偵察機」等。佔地遼闊的航空展示中心靠近維吉尼亞州北邊的華盛頓杜勒斯國際機場，開放式展出各類飛行器和太空船，其中大型機種置於地面，小型機種則分為兩層懸掛在天花板，此外還有數千個小型珍藏置於玻璃匣內展出。