超電導リニアMLX01-1
超電導リニアMLX01-1は、JR東海が開発した超電導リニアの試験車両です。1995年に製造されました。車体に搭載した超電導磁石と、地上に設置したコイルとの間に生じる磁力を利用して、車体を浮上させて走行します。2003年には山梨リニア実験線で、時速581キロメートルを記録し、当時の鉄道の世界最高速度を達成しました。
新幹線923形電車0番台（T4編成）
新幹線923形電車0番台（T4編成）は、東海道・山陽新幹線の電気設備、軌道設備、信号設備などの状態を、営業路線を走行しながら測定するための新幹線電気軌道総合試験車です。700系をベースに製造された事業用車両で、車体の色からドクターイエローと呼ばれています。
2025年まで本館で展示されていた新幹線922形電車20番台（T3編成）は、トレインパーク白山（石川県白山市）に移設され、常設展示されています。
国鉄ケ90形蒸気機関車
国鉄ケ90形蒸気機関車は、1918年（大正7年）に製造された軽便鉄道用のタンク式蒸気機関車です。もとは東濃鉄道A形として、762mm軌間の軽便鉄道路線で使用されました。1926年（大正15年）に鉄道省所属となり、ケ90形に改称されました。本路線のうち新多治見―広見間は、国鉄太多線を経て、現在のJR太多線の一部となっています。なお当時の東濃鉄道は、現在の東濃鉄道株式会社とは別会社です。
国鉄C57形蒸気機関車139号機
国鉄C57形蒸気機関車は、1937年（昭和12年）から1947年（昭和22年）にかけて製造された旅客用テンダー式蒸気機関車です。その優美な外観から貴婦人と呼ばれています。本機は、お召し列車を18回牽引した139号機です。
ホジ6014号（キハ6401号）蒸気動車
ホジ6014号蒸気動車は、1913年（大正2年）に製造された工藤式蒸気動車です。工藤式蒸気動車は、客車の片側に蒸気機関車と同様の動力機構を備えて単車運転を可能にした自走式車両で、1909年（明治42年）に工藤兵治郎が開発しました。ホジ6014号は、この方式を採用した国産蒸気動車の一例で、非電化路線の短距離輸送に使用されました。のちにキハ6401号に改称され、1943年（昭和18年）まで運用されました。国の重要文化財に指定されています。
国鉄ED18形電気機関車
国鉄ED18形電気機関車は、1923年に東海道本線の電化に備えて鉄道省がイギリスから輸入した車両を、のちに飯田線で使用するため改造した電気機関車です。一度廃車となった後に動態復元され、飯田線のトロッコ列車トロッコファミリー号などの牽引機として再び活躍しました。
国鉄モハ12形（クモハ12形）電車
国鉄モハ12形（クモハ12形）電車は、鉄道省初の鋼製電車モハ30形として製造された車両を起源とし、のちに事業用車クモヤ22形を経て、1987年に旅客用へ再改造された車両です。日本国有鉄道（国鉄）の電車は、首都圏や京阪神において国電（こくでん）と呼ばれていました。また、「下駄ばきで気軽に乗れる電車」という意味から、ゲタ電という通称も用いられました。「元祖ゲタ電号」は、1987年に飯田線で運転されたイベント列車の愛称です。その後も、本車両は飯田線で使用されました。
天井に設置された扇風機のカバーにも、日本国有鉄道（国鉄）のロゴが入っています。
国鉄52系（モハ52形）電車
国鉄52系（モハ52形）電車は、1936年（昭和11年）から1937年（昭和12年）にかけて、東海道本線・山陽本線の京阪神地区（現在のJR京都線・JR神戸線）用の急行電車として製造された車両です。「流線形の電車」という意味で、流電（りゅうでん）という愛称で親しまれました。戦前の急行電車を代表する形式のひとつで、現在の「新快速」につながる京阪神地区における速達電車の先駆け的な存在です。
天井には、装飾金具を備えたおしゃれな扁平丸形のランプが並んでいます。
国鉄117系（クハ117形）電車
国鉄117系（クハ117形）電車は、京阪神地区の速達電車として1980年に登場した、初の「新快速」専用車両です。「新快速」は、1970年に113系で運転を開始し、1972年に153系に引き継がれましたが、老朽化した153系を置き換えるために117系が新造されました。1982年からは東海地区にも快速用車両として投入され、東海ライナーの愛称で親しまれました。
国鉄オヤ31形客車
国鉄オヤ31形客車は、既存の客車を改造して製作された建築限界測定車です。1949年から1961年にかけて計7両が改造製作されました。車体の周囲に取り付けた接触式センサーにより、走行しながらホームや架線柱などの地上設備が、「建築限界」と呼ばれる規定の範囲内に収まっているかどうかを測定しました。