Die Filmsammlung des Österreichischen Filmmuseums stellt naturgemäß ein Herzstück der Institution dar. Sie wird laufend erweitert und kommt in den Präsentationen und Retrospektiven des Filmmuseums auf unterschiedliche Weise zur Darstellung. Vor allem die Zyklischen Programme ("Was ist Film" und "Die Utopie Film") bieten Einblicke in einige Schwerpunkte der Filmsammlung. An der Sicherung und Restaurierung der Filmsammlung wird regelmäßig gearbeitet, zum Teil auch mit digitalen Technologien.

Das Filmmuseum beherbergt darüber hinaus jedoch eine ganze Reihe weiterer wichtiger Sammlungen, die das kulturelle Phänomen Film beleuchten und verständlich machen. Im Kontext der Filmproduktion – von der ersten Filmidee über die Herstellungsphase bis zur Vermarktung und öffentlichen Präsentation – entstehen zahlreiche filmbezogene Dokumente und Materialien. Materialien, wie Fotos, Plakate und Schriftgut werden bewahrt und aufgearbeitet. FilmwissenschaftlerInnen und HistorikerInnen werden sich der Bedeutung dieser Quellen heute mehr und mehr bewusst – oft stellen sie die einzigen verblieben Zeugnisse eines Filmschaffenden oder eines (mittlerweile verlorenen) Films dar.

Der andere große Sammlungsbereich des Filmmuseums ist die Bibliothek inklusive des umfassenden Bestands an Filmzeitschriften. Hier ist die Rezeption von Filmen quer durch die Jahrzehnte ablesbar. Für die Filmgeschichtsschreibung bildet dieser Bereich der Sekundärliteratur eine unverzichtbare Ergänzung zum Studium der "Primärquellen", d.h. der Filmdokumentation und der Filme selbst.

Als internationales Zentrum für Filmgeschichte übernimmt das Österreichische Filmmuseum regelmäßig Vor- und Nachlässe von Filmschaffenden, Filmsammlern und Privatpersonen aus dem In- und Ausland und beherbergt weiters "Special Collections", u.a. die Sammlung Dziga Vertov und die Schlemmer-Filmkadersammlung.