Фондова група «Філателія» створена в 1975 р. і нині нараховує 4 100 од. зб.
Поштові марки почали надходити до музею в 1950 рр. Першими експонатами зібрання стали вміщені у клясери бл. 900 екземплярів, у 1955 р. передані піонерами чехословацького селища Стари Пльзенець. У 1957 р. музей закупив у К. Філіпович 1 100 марок закордонних випусків. Завдяки конфіскації, в 1972 р., здійсненій Київською міською прокуратурою, музейний фонд збільшився на бл. 500 радянських марок. На основі цих матеріалів і було вирішено створити фондову групу «Філателія».
В наступні десятиліття колекція поповнювалася завдяки подарункам та передачам працівників і відвідувачів музею, закупівлям у філателістичних магазинах, Головпошті. Особливо філателістична збірка розширилася з 2013 р., коли УДППЗ «Укрпошта» почало співпрацювати з НМІУ.
Колекція марок музею різноманітна та інформативна, присвячена багатьом темам: Олімпіадам, спортивним змаганням, казкам, святам, фауні та флорі деяких країн, постатям відомих письменників, науковців, політичних діячів та ін. видатних осіб. Зібрання представляє не лише українську філателістичну продукцію, до її складу входять також марки країн Європи: Великобританії та Франції, Німеччини, Норвегії, Фінляндії, Італії, Іспанії, Швеції, Бельгії, Греції, Австрії, Польщі, Чехії, Словаччини, Сербії, Боснії і Герцеговини, Болгарії, Литви, Білорусі, Вірменії, Російської імперії; Єгипту, Індії, Китайської Народної Республіки, Туреччини, США та Австралії.
В 1992 р. музейне зібрання отримало від Президента УНР в екзилі (США) М. Плавюка та колишнього командувача УПА В. Кука колекцію марок Підпільної Пошти України. (ППУ) – неофіційного підрозділу в складі поштового відділу закордонних частин Організації українських націоналістів (ОУН), яке видавало в 1949–1983 рр. українські непоштові пропагандистські марки.
Власна поштова друкована продукція України вперше з’явилася за часів УНР. У колекції є марки випуску 1918 р., ескізи до яких виконали знамениті художники Г. Нарбут та А. Середа, та марки, надруковані урядом УНР у Відні, із зображеннями Т. Шевченка, Б. Хмельницького, П. Полуботка, І. Мазепи.
З 1992 р. в Незалежній українській державі почали друкувати власні марки, присвячені флорі України, різним подіям (Олімпіаді, у якій брала участь Україна, перемозі співачки Руслани на Євробаченні в 2004 р.), ювілейним датам відомим українцям традиціям, святам тощо. Дизайнерами сучасних марок та конвертів є відомі художники України – К. Лавро, Ю. Логвин, В. Таран, В. Корнєв, В. Василенко, Н. Кохаль.
