Dział filatelistyczny składa się z czterech sekcji:

• sekcji polskich znaków pocztowych
• sekcji dokumentacji graficznej polskich znaków pocztowych
• sekcji znaczków zagranicznych
• sekcji pieczęci i stempli pocztowych

Sekcja polskich znaków pocztowych.

Sekcja polskich znaków pocztowych gromadzi znaczki pocztowe począwszy od pierwszego polskiego znaczka z 1860 r. tzw. „Polski 1” po współczesne znajdujące się w obiegu pocztowym.

Znaczki gromadzone są w formie pojedynczych egzemplarzy tworzących zbiory lub pełnych arkuszy sprzedażnych, arkusików czy bloków. Tym, co wyróżnia kolekcję muzealną i stanowi o jej wyjątkowości to materiał filatelistyczny dokumentujący poszczególne etapy produkcji znaczków: akcept (arkusz znaczków z odręczną adnotacją urzędnika dopuszczający go pod względem merytorycznym i kolorystycznym do druku, występujący tylko w jednym egzemplarzu), arkusze lub znaczki będące próbami kolorów, odbitki matrycowe z poszczególnych faz rytów w przypadku, gdy znaczek został wydany szlachetną techniką stalorytu.

Odrębną grupę stanowią sekretniki, koperty i kartki z nadrukowanym znaczkiem opłaty pocztowej oraz koperty Pierwszego Dnia Obiegu ( FDC – First Day Cover ) wydawane w dniu uka-zania się danej emisji.

Znaczki zbierane są także ze względu na ich błędy i usterki powstałe w procesie produkcji. Do najczęściej występujących należą: błędy barwy, tekstu - w tym nadruk omyłkowy lub wadliwy, podwójnie wykonany, przesunięty lub odwrócony czy odwrotnie wydrukowany rysunek. Najbardziej znanym znaczkiem z tego typu błędem jest „odwrotka bokserów” - znaczek z odwróconą ilustracją przedstawiającą bokserów w emisji z 1956 r. z okazji Igrzysk Olimpijskich w Melbourne.

Do najcenniejszych należą zbiory tematyczne:
 

• zbiór listów tzw. „przedfilatelistycznych” z XVII-XIX w.,
•  zbiór znaczków tzw. „Polski 1” pojedynczych i na kopertach, z najcenniejszą wśród nich kopertą listu wartościowego przesłanego z Kalwarii do Warszawy w 1860 r. z naklejonymi sześcioma znaczkami. Pięć z nich tworzy jeden nierozerwany pasek, co znacznie podnosi jej wartość kolekcjonerską.
• znaczki tzw. „wydania krakowskiego” z 1919 r.– austriackie znaczki pocztowe z nadrukowanym napisem „Poczta Polska”. Do najrzadszych należą m.in. znaczek opłaty o wartości 10 koron czy znaczek dopłaty „porto” o nominale 10 koron z czarnym nadrukiem „Poczta Polska” – 1 z 15 znanych egzemplarzy.
• zbiór „Wodzowie” - tzw. „wydanie lubelskie” z 1944 r.
• niemieckie znaczki okupacyjne dla terenu byłego Generalnego Gubernatorstwa w Warszawie z 1918/1919 r. z nadrukami „Poczta Polska”,
• zbiór listów ilustrujących działalność poczty we Wrocławiu od XVIII w. do czasów współczesnych,
• a ponadto znaczki plebiscytowe Górnego Śląska, Litwy Środkowej, poczt obozów jenieckich: Murnau, Woldenberg i Gross Born.

Z polskimi niestemplowanymi znaczkami można zapoznać się zwiedzając stałą ekspozycję muzealną, która jest na bieżąco uzupełniana.

                                                     

Sekcja dokumentacji graficznej polskich znaków pocztowych gromadzi projekty znaków pocztowych wykonane przez artystów grafików, plansze odbitek znaczków i różnego rodzaju nadruków oraz klisze, formy drukowe i matryce służące do ich produkcji.

Najliczniejszą grupę inwentarzową tworzą  Projekty i szkice znaków pocztowych, gdzie oprócz projektów znaczków i kart pocztowych gromadzone są  projekty kopert pierwszego dnia obiegu oraz datowników okolicznościowych.

Zbiór ten zaczął powstawać w latach dwudziestych XX wieku, sukcesywnie powięk-szany liczy obecnie kilkanaście tysięcy eksponatów. Utworzony został głównie dzięki przekazom Państwowych Zakładów Graficznych, Polskiej Wytwórni Papierów Wartościowych, Ministerstwa Poczt i Telegrafów, później Ministerstwa Łącznościi Centralnego Zarządu Poczty Polskiej w Warszawie, a także poprzez zakupy od osób prywatnych. 

Najstarszymi eksponatami w muzealnej kolekcji są projekty znaczków poczt miejskich Warszawy i Zawiercia z 1915 r. wykonane przez Edwarda Trojanowskiego oraz Juliusza Isa-aka. Ozdobę muzealnego zbioru stanowią  projekty z pierwszego konkursu rozpisanego w 1917 r., które po odzyskaniu niepodległości posłużyły do wydań znaczków obiegowych. Ciekawostką kolekcji są niezrealizowane projekty znaczków plebiscytowych Śląska Cieszyńskiego zamówione w 1920 r. u krakowskich grafików oraz projekty znaczków Litwy Środkowej do emisji z lat 1920-1922.

Projekty znaczków międzywojnia wykonane technikami rysunkowymi przez znanych artystów, są odbiciem tendencji panujących w ówczesnej sztuce.

W okresie powojennym pojawia się nowa generacja twórców przez dziesięciolecia kształtująca plastykę znaczków pocztowych. Do wybitnych twórców znaku pocztowego nale-żą m.in. Stefan Małecki, Andrzej Heidrich, Jerzy Desselberger, Jacek Brodowski, Wiesław Wałkuski, Maciej Jęrdysik oraz Andrzej Gosik. W zbiorach Sekcji Dokumentacji Graficznej znajdują się projekty ponad 100 artystów wypowiadających się w dziedzinie sztuki użytkowej oscylującej między rygorami miniaturyzacji a swobodą twórczą.
     
Oddzielną grupę inwentarzową stanowią Klisze i matryce do druku znaków pocztowych, której eksponaty obrazują proces druku polskich znaków pocztowych głównie z okresu międzywojennego. Najpełniejszą dokumentację z różnych faz druku posiadają znaczki drukowane typografią – techniką druku wypukłego.

W zespole omawianych eksponatów znajdują się także pramatryce oraz drukowe formy wtórne uzyskane metoda mechaniczną lub galwaniczną do druku znaczków techniką stalorytniczą. Ponadto dużą wartość historyczną i poznawczą posiadają znajdujące się w zbiorze klocki drzeworytnicze poczty wewnętrznej obozu jenieckiego VII A w  Murnau z lat 1942-1945.

Sekcja znaczków zagranicznych.

Sekcja znaczków zagranicznych gromadzi znaczki pocztowe wydawane przez poczty 190 państw należących do Światowego Związku Pocztowego (Union Postale Universelle - UPU), który został założony w 1874 r. Polska jest jego członkiem od 1919 r.

Państwa należące do UPU przesyłają walory filatelistyczne do głównej siedziby związku, Berna w Szwajcarii, gdzie są dzielone i wysyłane do wszystkich członków. Gromadzone w Muzeum znaczki pocztowe są wykorzystywane do celów wystawienniczych, dydaktycznych i poznawczych. Najstarszym i najcenniejszym walorem jest pierwszy znaczek na świecie „Penny Black” (czarna jednopensówka), wydany w Anglii w 1840 r.. Do ciekawostek filatelistycznych należą znaczki wydane między innymi przez Bhutan (niewielkie państwo w sercu Himalajów) wykonane z plastiku, drewna, tkaniny, folii złotej lub srebrnej, a także znaczki z tradycyjnego materiału, jakim jest papier, które nasączono aromatem perfum, kwiatów i kawy. Na uwagę zasługują także znaczki sporządzone techniką trójwymiarową, z hologramem lub tłoczone. Do cenionych i podziwianych walorów zalicza się znaczki wykonane techniką stalorytu przez wybitnego polskiego rytownika Czesława Słanię, autora 1070 znaczków pocztowych dla 31 państw oraz ONZ. Jego osiągnięcia w dziedzinie tworzenia znaczków zostały wpisane do Księgi Rekordów Guinnessa aż w trzech kategoriach. Wiele z jego prac nagrodzono i uznano za najpiękniejsze znaczki świata.

Różnorodność znaczków, bogactwo ich formy i treści sprawiły, że stały się przedmiotem pożądania dla wielu kolekcjonerów. Większość ciekawostek ze zbiorów znaczków zagranicznych jest prezentowana na czasowych wystawach filatelistycznych w salach Muzeum.