La colección inicial del Museo Pedagógico de Chile se origina en la Exposición Retrospectiva de la Enseñanza, efectuada en 1941 con motivo del IV Centenario de la Fundación de la ciudad de Santiago. A partir de entonces, se incrementa gradualmente a través de donaciones privadas y de escuelas y liceos del país. En la actualidad sus colecciones alcanzan un total de 6.522 piezas.

La colección más valiosa y voluminosa es la de material escolar, que proviene en su mayoría de antiguos establecimientos educacionales del país. En ella encontramos, por ejemplo, máquinas electrostáticas para la enseñanza de la física, que fueron encargadas a Europa por Diego Barros Arana; láminas didácticas; una completa serie de mapas de insignes cartógrafos; pupitres, ábacos y otros artículos escolares utilizados en diversas épocas. A partir de 1997 la colección se inventarió, se organizó dentro de dos depósitos y se tomaron medidas para su conservación preventiva.

La Biblioteca Especializada en Ciencias de la Educación del Museo cuenta con más de 40.000 obras y textos sobre filosofía de la educación, sicología pedagógica, didáctica y metodología de las asignaturas, antropología, economía y sociología. Además posee publicaciones periódicas, folletos y una recopilación de documentos y conferencias de educadores ilustres.

Sus fondos se encuentran parcialmente organizados. 16.000 volúmenes están inventariados y catalogados. Sin embargo, se estima que 11.000 publicaciones periódicas permanecen sin procesar, al igual que un grupo de 10.000 impresos varios. Por otra parte, el Archivo Fotográfico del Museo posee más de 6.000 imágenes del proceso histórico de la educación chilena, organizadas y catalogadas.