Lungo il percorso espositivo di 3200 metri quadrati distribuiti su cinque piani si visitano alcuni spazi dedicati alle figure principali che contribuiscono a realizzare un film. Nella sala principale, costruita nella sala del tempio della Mole, una serie di cappelle è dedicata a vari generi cinematografici.

Il museo conserva un'imponente collezione di manifesti cinematografici, una collezione di pellicole ed una biblioteca, in costante ampliamento: comprende attualmente 20.000 apparecchi, dipinti e stampe, oltre 80.000 documenti fotografici, oltre 300.000 manifesti, 12.000 film e 26.000 volumi (febbraio 2006).

Una sala cinematografica poco lontana dal museo, all'interno del cinema Massimo, è riservata esclusivamente alle retrospettive e alle altre attività del museo. Il Museo Nazionale del Cinema ospita numerosi festival, il più importante e prestigioso dei quali è il Torino Film Festival.

All'interno del museo si trova anche un ascensore panoramico (inaugurato nel 2000), con pareti in cristallo trasparente, che effettua la sua corsa in 59 secondi, in una sola campata a cielo aperto senza piani intermedi, dai 10 metri della quota di partenza agli 85 metri del "tempietto" dal quale si può vedere il panorama della città.