La colección de miniaturas y modelos es la más numerosa y aúna un carácter formativo y estético a la vez.
La colección de miniaturas es de las de incorporación más reciente del museo, iniciándose su configuración alrededor de los años 40 del s. XX, gracias a las aportaciones de coleccionistas, fabricantes y aficionados. Se compone de un conjunto de aproximadamente 25000 figuritas, tanto en disposición aislada como en pequeños grupos recreando escenas (“dioramas”) ambientando momentos de la historia militar. La riqueza de estas piezas se muestra en la fiel representación de individuos perfectamente uniformados, dispuestos en formación, reproduciendo hechos históricos de especial relevancia, tal y como se puede observar en el diorama del “Abrazo de Vergara” (I Guerra Carlista, 1839), o las piezas de Bacciarini (1830), fabricadas en Barcelona, y unas de las más antiguas, que auguran el inicio de la difusión de soldaditos de juguete en territorio español, como recreo de coleccionistas adultos, y eruditos conocedores de armas, uniformes o banderas. Es una de las colecciones más sensibles en lo que a conservación y restauración se refiere, porque la presencia de policromía y diversos materiales constitutivos pueden verse afectados por el denominado “mal del plomo” cuya causa aún se desconocen, provocado por la corrosión y presencia ambiental de ácido.
Esta colección tan apreciada por los aficionados, y a la que se suma otra pequeña colección de recortables, cumple eficazmente con una nueva función para la que en principio no fue creada y es contribuir visual y didácticamente a la comprensión de distintos aspectos de la historia militar española y de otros países (uniformología, actividades de campaña, organización, formación, etc..)
La colección de modelos también presenta en su origen, cuando en 1827 se produce la división del Real Museo Militar en dos secciones, el Museo de Artillería y el Museo de Ingenieros, unos fines didácticos y de apoyo para la formación de los soldados, proporcionando una enseñanza complementaria a las Academias Militares.De hecho la colección fundacional estaba constituida por tres conjuntos básicos de piezas: el gabinete perteneciente al general francés Marqués de Montalembert (1714-1800), el gabinete constituido por maquetas y modelos de fortificaciones y artillería, y los modelos del arsenal de artillería de Madrid así como diversos objetos históricos donados por militares y miembros de la nobleza, relacionados con hechos bélicos.
La colección es variopinta y presenta desde modelos de aeronáutica, artillería, arquitectura , máquinas, navales, de combate, como por ejemplo el modelo de cañón "Napoleón" (perteneciente a la colección Duque del Infantado), y tenían una función eminentemente práctica, pues servían de ejemplificación a escala de cómo se manejaban este tipo de máquinas de gran tamaño.