Zbirka tehničke dokumentacije vrijedna je zbirka arhivskog gradiva pohranjenoga u Hrvatskom željezničkom muzeju. Sadržava ukupno 2471 jedinicu građe koja potječe iz razdoblja od 1860. do 2004. Gradivo iz Zbirke tehničke dokumentacije počelo se objedinjavati 1991. kada je osnovan Hrvatski željeznički muzej.
Znatan dio gradiva potječe iz ostavštine željezničara Ivana Belavića koji je tijekom života prikupljao dokumentaciju koja se odnosi na povijest željezničkog prometa na području Hrvatske. Proučavanjem tih izvora sustavno je pisao povijest željeznice koristeći navedene dokumente kao izvore. Rukopisna ostavština Ivana Belavića čuva se u Knjižnici Hrvatskoga željezničkog muzeja.
Zbirka tehničke dokumentacije sadržava gradivo različitih stvaratelja. Većinom je zastupljeno gradivo prethodnika Hrvatskih željeznica, ali postoje i dokumenti druge provenijencije. Između stvaratelja ističu se Carsko i kraljevsko povlašteno društvo južnih željeznica, Kraljevske ugarske državne željeznice (MÁV), Ministarstvo trgovine u Budimpešti,  razna dionička društva vicinalnih željeznica, Generalna direkcija austrijskih državnih željeznica, Vojnogeografski institut u Beču, Generalno ravnateljstvo željeznica državne SHS, Ministarstvo saobraćaja u Beogradu, Ravnateljstvo državnih željeznica Zagreb, Jugoslavenske državne željeznice (Glavna direkcija eksploatacije željeznica Zagreb), Jugoslavenske željeznice (Direkcija Zagreb), Vojnogeografski institut u Beogradu Željezničko transportno poduzeće Zagreb, Hrvatske željeznice.
U Zbirci se nalaze različiti oblici dokumentacije povezani kriterijem sadržaja i tvarnih značajaka.Od službene poslovne dokumentacije najviše su zastupljeni ugovori o izgradnji, proizvodni i financijski planovi izgradnje željezničkih pruga, rješenja o eksproprijaciji pojedinih područja radi izgradnje pruge ili drugih željezničkih objekata, službena izvješća o željezničkim nesrećama, stručni referati i tehnički izvještaji projektanata pruga.
Posebnu cjelinu poslovne dokumentacije čine grafikoni voznih redova.
Zbirka sadržava i različiti kartografski materijal: katastarske planove i planove gradova, pregledne geografske i topografske karte, geološke karte, upravne karte i karte željezničkih mreža.
Sastavni dio Zbirke jesu nacrti željezničkih vozila i njihovih dijelova, planovi i  nacrti željezničkih pruga (nacrti situacije, uzdužni i poprečni profili željezničkih pruga, nacrti donjega i gornjeg ustroja željezničkih pruga, signalna i električna postrojenja željezničkih pruga, planovi i situacije željezničkih kolodvora, postaja i stajališta, nacrti kolodvorskih zgrada i drugih radioničkih i pružnih objekata, nacrti željezničkih stambenih zgrada, projekti preuređenja željezničkih čvorova i kolodvora.
Posebnu vrstu dokumentacije o željezničkim vozilima čine lokomotivske knjige u kojima su se bilježili svi podatci vezani uz lokomotivu uključujući sve potrebne popravke i izmjene na vozilu.