Architektura je považována za umění tvorby prostoru – trojrozměrné předměty tedy nemohou ve sbírce architektury chybět. Sbírka trojrozměrných předmětů je úzce provázána jak s osobními archivy a pozůstalostmi architektů, tak s archivními fondy důležitých institucí a organizací, především pražských, které v souhrnu tvoří Archiv architektury a stavitelství. Ve sbírce architektury jsou kromě jiného představeny tři základní okruhy, které se mnohdy prolínají.

Pozůstalosti architektů

Přirozenou součástí získaných pozůstalostí byla celá řada modelů architektonických i urbanistických, architektonických detailů, sochařských skic nebo předlohových modelů plastik spojených s budovami. Do sbírky architektury náleží také autorský nábytek a řada autentických osobních předmětů.
Z významných osobností české architektonické tvorby jmenujme jen několik příkladů. V pozůstalosti architekta Josefa Schulze se nacházejí desítky předlohových sádrových reliéfů a architektonických detailů pro výzdobu interiérů a exteriérů budov Rudolfina, Národního muzea a Uměleckoprůmyslového muzea v Praze. V pozůstalostech architektů Jana Kotěry, Aloise Dryáka, Josefa Gočára nebo Pavla Janáka se setkáváme s řadou původních sádrových, dřevěných nebo papírových modelů jimi navržených staveb.
Autentické jsou také nábytkové kusy z některých pozůstalostí – skříně na výkresy, pracovní stoly a desky, rýsovací pomůcky, pravítka a příložníky, vzorky ušlechtilých stavebních materiálů, drobné inspirativní plastiky v pozůstalostech Leonarda Řechky, Josefa Zítka, Pavla Janáka, Adolfa Benše nebo Otto Rothmayera. K vznosnější části sbírek patří řada modelů sochařské výzdoby budov od řady známých sochařů 19. a 20. století – modelet, sádrových skic, předlohových modelů pro kameníky nebo návrhů reliéfů.

Pozůstalosti architektonických kanceláří

Stejně významnou skupinu dárců představují organizace a instituce, především velké stavební firmy, odborné školy nebo významná projektová sdružení (například Jednota pro dostavbu chrámu sv. Víta, stavební kancelář Národního divadla, pražský magistrát, prvorepublikové Ministerstvo veřejných prací). Někteří stavebníci významných veřejných budov darovali do muzejních sbírek profesionálně zpracované sádrové modely. Jde například o novogotické západní průčelí katedrály sv. Víta, budovy Národního divadla, Národního muzea, Rudolfina, Obecního domu, areál ministerských budov pod Emauzy v Praze a jiné. Z poslední doby pochází přírůstek více než deseti plastových modelů uskutečněných i neuskutečněných staveb známého libereckého sdružení SIAL.

Školní a výukové modely

Pedagogický přístup ve výuce architektury, dějin umění, ale také stavitelství se neobejde bez architektonických modelů a stavebních prvků. Zcela mimořádné místo ve sbírce architektury zaujímá tzv. "Sanderova sbírka", vzniklá pro výukové účely na stavební průmyslové škole na Smíchově na přelomu 19. a 20. století. Více než osm set odlitků reprezentuje vývoj evropské klasické architektury – řecké a římské, středověké, renesanční i barokní – a to formou sádrových kopií dochovaných autentických fragmentů proslulých staveb. Tento rozsáhlý soubor byl sepsán a do muzea předán z iniciativy tamějšího pedagoga, architekta Františka Sandera v roce 1921.

Důsledky povodní ve sbírce architektury

Povodeň v roce 2002 v přízemí karlínské Invalidovny zatopila bohužel řadu modelů a plastik. Systematická spolupráce se Školou restaurování výtvarných děl sochařských Akademie výtvarných umění v Praze, dostatek cílených finančních prostředků z Ministerstva kultury ČR a pečlivý dohled na práci vybraných restaurátorů umožnily opravit téměř neopravitelné. Nejcennější předměty jsou ke shlédnutí ve stálé expozici architektury, stavitelství a designu ve 3. patře hlavní budovy na Letné.