Trojrozměrnou sbírku tvoří předměty získané od organizací i jednotlivců, které dokumentují činnost tělovýchovných organizací, sportovních svazů, vývoj jednotlivých sportovních odvětví a tělovýchovných aktivit od jejich počátků, tedy často od 19. století, až po současnost.

K nejstarším patří sbírka sokolských memorabilií, která zahrnuje mimo jiné i významné sportovní ceny získané sokolskými sportovci, sbírku zakladatelů Sokola Miroslava Tyrše a Jindřicha Fügnera, jež kromě osobních památek obsahuje i cenná umělecká díla (A. Machek, Josef Mánes, J. V. Myslbek, ad.).

Zvláštní zmínku zasluhuje rozsáhlá olympijská sbírka, která obsahuje unikátní pozůstalosti Jiřího Stanislava Gutha-Jarkovského a Josefa Rösslera-Ořovského (řády a vyznamenání, medaile, odznaky). K olympijské sbírce patří rovněž medaile a další předměty dokumentující dráhu našich významných olympioniků (Františka Doudy, Dany a Emila Zátopkových, Hany Maškové, Ludvíka Daňka, Jana Železného ad.).

Trojrozměrná sbírka také obsahuje řadu předmětů mapujících vývoj dílčích sportovních odvětví, stejně tak jako historickou sportovní výzbroj a výstroj. Uchovává též řadu uměleckých předmětů, které se vztahují k dějinám sportu a tělesné výchovy na našem území.