Aus einer seit 1960 zusammengetragenen Sammlung film- und kinotechnischer Geräte entstand, vor allem nach 1990, eine umfangreiche Sammlung zur Geschichte des Films, die Interessenten im Filmmuseum Potsdam heute nutzen können. Dieser Kernbereich des Museums hat eine ungewöhnliche Geschichte: 1977 bis 1980 recherchierten Museumsmitarbeiter gemeinsam mit Mitarbeitern des Staatlichen Filmarchivs in allen Bezirken der DDR. Die gefundenen Exponate wurden dem umfangreichen Reservoir des Staatlichen Filmarchivs der DDR zugeordnet, eine Vereinbarung regelte ihre Verfügbarkeit im Museum. Technische Geräte und Modelle wurden, samt eines seit 1960 aufgebauten Bestandes, dem Museum überlassen. Das „Filmmuseum der DDR” eröffnete 1981 im Marstall zunächst nur ein Kino und eine Technikausstellung, die die besten Stücke aus ihrer Spezialsammlung zeigte. Nach der Eröffnung der Dauerausstellung zur Filmgeschichte bis 1945 und zum DEFA-Spielfilm 1983 blieben die Sammlungsaktivitäten marginal.

Nach der Auflösung der DDR wurde das Staatliche Filmarchiv in das Bundesarchiv eingegliedert. Obwohl Übergangsregelungen dem „Filmmuseum Potsdam” einen privilegierten Zugang zu dessen Beständen sicherten, machte sich besonders bei der Entwicklung der neuen Dauerausstellung der Mangel einer eigenen Sammlung schmerzhaft bemerkbar. Bereits 1990 begann der Aufbau eines eigenen Bestandes, denn die sich rasant verändernden Verhältnisse geboten schnelles Reagieren. Die DEFA-Studios begannen sich aufzulösen, überall wurden Kinos geschlossen und Mitarbeiter von Filmbetrieben entlassen. Es galt, Materialien zu bewahren, die verloren zu gehen drohten. So kamen in großem Umfang Zeugnisse der Film- und Kinogeschichte der DDR in den Besitz des Museums.

Im Jahre 1995 konnte die wachsende Sammlungsabteilung geeignete Räume beziehen und dort Archive und Depots einrichten. Arbeitsmöglichkeiten wurden schrittweise verbessert und Voraussetzungen für die Bearbeitung und Erweiterung der Sammlungen geschaffen. Die museumseigene Restaurierungswerkstatt wurde mit neuer Labortechnik ausgestattet. Vor allem durch zahlreiche Schenkungen und Dauerleihgaben vermehren sich die Bestände weiter, ein kleiner jährlicher Etat für Ankäufe ermöglicht kontinuierlich Erwerbungen.