2階は「東京職工学校創設〜新制東工大の発展」「電気〜光／通信の先端研究史」「地球史」「百年記念館／篠原一男」の4つのテーマ展示室がある。大学史のコーナーである「東京職工学校創設〜新制東工大の発展」では、東京職工学校の初代校長正木退蔵、第2代校長手島精一、終戦後の大学改革を行った和田小六に関する資料を展示している。「電気〜光／通信の先端研究史」では、1920年代末頃から今日にかけて東京工業大学で行われた先端技術に関する資料、真空管コレクション、水晶振動子の切り出し模型等を展示している。「地球史」コーナーでは、鉱物標本や化石、岩石等を実物資料を展示している。「百年記念館／篠原一男」には、百年記念館の模型のほか、百年記念館を設計した篠原一男の作品を展示している。
特別展示室Aでは、陶磁器研究、建築資料、化学、化学工学研究、フェライト研究、フライト研究、東京工業大学大学で育った工芸・デザインの先進者たちなどのコーナーがあり、ゴットフリード・ワグネルをはじめ、東京工業大学ゆかりの工芸作家の作品や、東京工業大学出身でノーベル賞受賞者である白川英樹の導電性高分子の開発に関する資料などを展示している。特別展示室Bでは、紡織機械コーナー、歯車研究、ロボット研究、ホログラム常設展示、世界的技術遺産等のコーナーがあり、東京工業大学初のスーパーコンピュータETA10、1897年頃に輸入研究された原型に近い初期型パーソンズ・タービン、世界最古級のスターリングエンジンなどを展示している。
実物資料約600点、文献資料約6,200点を所蔵し、その一部を展示公開している。東京工業大学百年記念館の地下1階と地上2階が展示室である。
1983年度中に篠原一男が建築を担当することが決定し、1986年10月に着工、1987年9月に竣工、11月3日に竣工式典が行われた。東京工業大学博物館の建物は地下1階、地上4階、塔屋1階建ての一部鉄骨造の鉄筋コンクリート造で、8m×21m、8m×31mの2つの矩形を斜線で結んだ複合体と、その複合体の上部に固定された半円柱面からなる。半円柱面の外装にはステンレススチール板を、直方体部分の外装にはアルミニウム板を用いている。篠原は「零度の機械」「プログレッシブ・アナーキー」という概念を提示し、特異な半円柱面を大学のキャンパスと街との会話の記号としてとらえている。
小笠原氏には宗家の貞宗の弟の貞長の流れがある。貞長は新田義貞と戦って討死し、子の長高は京都に住んで足利尊氏の弓馬の師範であったというが史実か疑わしい。以後、幕府に奉公衆として仕えた。京都に住んだ貞長の系統は、兄貞宗の系統を信濃小笠原氏とするのに対して、京都小笠原氏と呼ばれる。京都小笠原氏の一族は将軍側近の有力武将として重きをなすとともに、幕府初期から的始めなどの幕府儀礼に参加している。6代将軍の足利義教の頃には将軍家の「弓馬師範」としての地位を確立し、以後的始め、馬始めなど幕府の公式儀礼をしばしば差配し、当時における武家の有職故実の中心的存在となった。こうしたことから奉公衆とはいえ一般の番衆とは区別され、書札礼では「小笠原殿のことは、弓馬師範たる間、如何にも賞翫にて恐惶謹言と書く事、可然也」（『大舘常興書札抄』）とされた。なお従来は、将軍家の弓馬師範は信濃小笠原氏が務めたとされたり、貞宗が後醍醐天皇の師範、長高が足利尊氏の師範を務めたなどの説が流布していたが、これらは後世の付会に過ぎず史料的裏付けに乏しい。小笠原氏が将軍家弓馬師範なる地位を得るのは足利義教の代で、それも信濃小笠原氏ではなく京都小笠原氏である。信濃小笠原氏が武家故実に関わるのは小笠原長時、貞慶父子の時代になってからである。なお、小笠原政清は同じ幕臣であった伊勢盛時（北条早雲）に娘を嫁がせたとされており、彼女の所生とされる北条氏綱以降の後北条氏歴代当主は京都小笠原氏の血を引いていた事になる。京都小笠原氏の一族は、嫡流は幕臣として続いたが、小笠原稙盛が永禄8年（1565年）の永禄の変で将軍足利義輝とともに討死すると、稙盛の子の秀清（少斎）は浪人し、後に細川氏（後の熊本藩主細川氏）に仕えた（稙盛は永禄の変後に足利義栄に従ったため、足利義昭の時代に所領を没収されたとする説もある）。秀清は関ヶ原の戦いの際に細川ガラシャの介錯を務め殉死し、秀清の子孫は江戸時代には熊本藩の家老を務めた。また、庶流の小笠原元続は将軍足利義澄の死去後に幕府を離れ、縁戚の後北条氏を頼った。元続の子の康広は北条氏康の娘婿となった。小田原征伐で後北条氏の嫡流が滅亡すると、康広の子の長房は徳川家康の家臣となり、子孫は旗本として存続し、江戸時代の歴代の当主は縫殿助を称した。旗本となった小笠原長房の子孫は家禄780石余、縫殿助を称した当主が多いため縫殿助家とも呼ばれる。長房の曾孫の持広は享保元年（1716年）に将軍徳川吉宗の命により家伝の書籍91部と源頼朝の鞢（ゆがけ）を台覧に供した。これは吉宗が射礼や犬追物など弓馬の古式の復興に熱心で諸家の記録を調べていたためで、「世に稀なる書ゆえ永く秘蔵すべき」旨の言葉があったという。後に吉宗は近侍の臣らを持広の弟子として射礼を学ばせている。持広は弓場始（的始め）の式に伺候するとともに、小的、草鹿、賭弓、円物、百手的などを上覧に入れるなどした。子孫も同様な役を勤め、幕末には小笠原鍾次郎が講武所で弓術教授を勤めたが、この家は維新期に断絶する。つまり、室町幕府以来最も長く礼法を伝える家系は現代には続いておらず、縫殿助家と共に徳川幕府の師範家となっていた旗本小笠原平兵衛家（もと赤沢氏）が、現代では小笠原流（弓馬術礼法小笠原教場）宗家となっている。