Motocyklová sbírka je dobou svého vzniku jednou z nejmladších podsbírek současného Muzea dopravy NTM. Základ této kolekce položil v roce 1935 Václav Klement. Zakladatel firmy Laurin & Klement a jeden z předních průkopníků výroby motocyklů v Evropě byl rovněž velkým příznivcem NTM. Na stavbu nové budovy muzea věnoval nemalou finanční částku, významně obohatil archiv a také fakticky založil motocyklovou sbírku NTM. V roce 1935 u svých bývalých zákazníků vyhledal tři původní motocykly vyrobené firmou Laurin & Klement. Tyto stroje nechal „upravit pro výstavní účely“ a následně je daroval do sbírek muzea.
Zakladatelský krok Václava Klementa brzy inspiroval ostatní, tehdy ještě žijící, průkopníky výroby motocyklů u nás. Zvláště za německé okupace, tedy v nejtěžším období naší novodobé historie, kdy byla ohrožena sama fyzická existence národa, došlo k pozoruhodně rychlému rozvoji motocyklové sbírky.
Těžké období války a okupace je tak z pohledu motocyklové sbírky NTM paradoxně jedním z nejúspěšnějších, a to nejen vzhledem k rozvoji sbírky samé. V provizorních prostorách pražské Invalidovny, kam bylo muzeum vystěhováno německou brannou mocí, byla ještě za okupace otevřena první provizorní motocyklová expozice.
Motocyklová sbírka se díky darům úspěšně rozvíjela i v poválečných letech. Významný byl například přírůstek šesti prototypů motocyklů značky Jawa, které muzeu daroval jich výrobce, který se tehdy stále ještě jmenoval Zbrojovka Ing. F. Janeček. O rozšíření motocyklové sbírky se v prvních poválečných letech však nezasloužili pouze výrobci. Řada cenných předmětů (především trofejí z motocyklových závodů) byla například získána darem od Harley clubu Praha.
Období do počátku šedesátých let 20. století lze z pohledu motocyklové sbírky označit za léta otců zakladatelů. Tehdy se na tvorbě sbírky podílely přední osobnosti našeho motorismu včetně sportovců a průkopníků výroby. Po většinu tohoto období sbírku spravovala významná osobnost historie Národního technického muzea – Ing. František Štýdl. Štýdl původně pracoval v leteckém průmyslu, spolupráci s muzeem zahájil již v roce 1937; v letech 1949 až 1951 byl dokonce jeho ředitelem. Je jeho zásluhou, že motocyklová sbírka NTM byla od samého počátku budována na základě jasné koncepce, kterou nebylo až do dnešních dnů třeba zásadně měnit.
Koncem šedesátých let došlo, díky získání vhodných depozitárních prostorů v Čelákovicích, k výraznému rozšíření motocyklové sbírky co do počtu předmětů. Bohužel se však po delší dobu muzeum potýkalo s fluktuací motocyklových kurátorů. Na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let se počet motocyklů ve sbírce pohyboval kolem 130 kusů.
Od druhé poloviny devadesátých let 20. století probíhá ve sbírce postupný proces zkvalitňování. Sbírka se příliš nerozrůstá co do počtu (ke dni 28. února 2014 obsahovala 138 motocyklů), ale snahou je především zvýšit její výpovědní hodnotu, doplnit významné chybějící předměty a dokumentovat současné trendy ve vývoji oboru. Mezi nejvýznamnější přírůstky posledních dvou desetiletí patří řada sportovních motocyklů domácí výroby; jmenujme například čtyřválcové závodní stroje Jawa 350 typ 673 a ČZ 420 typ 860 nebo stroj Jawa 500 typ 891 pro ledovou plochou dráhu— motocykl, se kterým se v roce 1974 stal Milan Špinka mistrem světa. Pozoruhodné jsou též nedávno získané cestovní motocykly, například Motor Company 1000 vyráběný ve dvacátých letech v místě vzdáleném přibližně pět set metrů od dnešní budovy NTM. Pozoruhodný je rovněž prototyp motocyklu ČZ 350 typ 510 z roku 1978, jediný existující kus, získaný z pozůstalosti konstruktéra Ing. Františka Pudila.
Motocyklová sbírka NTM si neklade za cíl být největší sbírkou motocyklů u nás, ale pracovníci Muzea dopravy NTM se snaží, aby tato sbírka byla svým obsahem tou nejhodnotnější kolekcí motocyklů na území České republiky.