Dnešní oddělení strojírenství a chemie se vyvinulo z původní sbírkové skupiny strojnictví, která vznikla současně se založením muzejního spolku v roce 1908 a soustřeďovala veškeré výrobky strojírenského charakteru – tedy i takové, které dnes představují základ sbírek oddělení dopravy, metalurgie nebo železničního muzea.
V době otevření muzea pro veřejnost v roce 1910 měly v tehdejším Spolku Technického muzea skupina strojnictví a skupina textilnictví nejvíce členů a také počtem exponátů patřily k největším. V čele těchto sbírkových skupin stáli významní odborníci z průmyslu a vysokých škol (prof. Ing. A .Živna, B. Šlechta).Již v období před I. světovou válkou se podařilo získat do sbírek mnoho cenných technických památek, například Hillerův parní stroj nebo Marcusův spalovací motor. Rozvíjela se také činnost výstavní a meziválečné období přineslo nárůst počtu sbírkových předmětů.
Válečná léta znamenala útlum muzejní činnosti. Sbírky musely být přestěhovány do karlínské Invalidovny a rozestavěná budova na Letné byla protektorátní správou zabavena. Přes tyto obtíže se v roce 1942 zahájila činnost pro veřejnost a bylo dosaženo některých zajímavých akvizic, například získání parního stroje, který poháněl elektrárnu Národního divadla.
Organizační uspořádání muzea se od počátku 50. let do současnosti několikrát změnilo, což mělo dopad i na obory strojírenství. V roce 1954 vzniklo nové oddělení lehkého průmyslu, sloučené roku 1963 s oddělením strojírenství a textilní výroby. O dva roky později (1965) se otevřela pro veřejnost expozice "Čas". V roce 1974 vzniklo samostatné oddělení spotřebního průmyslu se sbírkovými fondy polygrafie, textilu a techniky v domácnosti. Roku 1977 byl na pozemku nedaleko hlavní budovy otevřena expozice "Hnací stroje", o čtyři roky později reinstalovaná v nově upravených prostorech. V současné době probíhají přípravy nové stálé expozice měření času.
Jádro oddělení chemie a biotechnologie tvořila bohatá kolekce cukrovarnických předmětů a modelů, které byly muzeu dány do vínku již v roce 1908 zásluhou početné skupiny cukrovarnických odborníků stojících u jeho zrodu. Expozice cukrovarnictví byla otevřena mezi prvními v roce 1910 v prostorách Schwarzebergského paláce. Sbírka se v následujících letech tematicky rozšířila o pivovarnictví, lihovarnictví a chemickou technologii spojenou převážně s potravinářským průmyslem. Navzdory původním plánům ale nenašla místo v nové budově na Letné a dodnes je převážná část sbírky uložena v depozitářích. Výběr kvalitních exponátů z chemické sbírky NTM mohou návštěvníci spatřit v Dobrovici u Mladé Boleslavi, kde vzniklo Muzeum cukrovarnictví, lihovarnictví, řepařství.
Nejstarší období chemie je ve sbírkách zastoupeno kompletní alchymickou laboratoří, zařízenou a vybavenou vesměs replikami nádobí a nástrojů z konce 15. století, které vznikly v roce 1914 ve Sklárnách Kavalier Sázava podle návrhu Otakara Zachara. Kolekci tvoří skleněné nádoby, dobovou terminologií nazvané retorty, alembíky, pelikán, křivule, dále různé hliněné nádoby, destilační zařízení, železné kleště a další pomůcky středověkého alchymisty.