Grâce à cette collection de 24 000 affiches s’esquissent à la fois une histoire des arts graphiques contemporains, des techniques de fabrication de l'affiche et une histoire de la promotion des films depuis 1895. Certains pays sont particulièrement bien représentés : France, États-Unis, Italie, Japon, Pologne, Cuba... Les grands affichistes français occupent une place de choix, certains dans de grandes proportions : Bernard Becan, Roger Soubie, Jacques Bonneaud, Boris Grinsson, René Ferracci, Gilbert Allard, René Péron, Jean Masci ...
Parmi les affichistes actuels qui déposent leur travail à la Cinémathèque, on relève les noms de Michel Landi, Christian Broutin, Pierre Collier, Yves Prince.
Les quelque 16 000 dessins conservés à la Cinémathèque représentent des maquettes et plans de décors, des maquettes de costumes, des maquettes d'affiches, des dessins d’animation, des portraits ou croquis de personnalités et des story-boards. Ces collections constituent des ensembles uniques de grands décorateurs ou de grands costumiers de cinéma, la France et l'Allemagne de la période expressionniste occupant une place prépondérante.
La Cinémathèque française conserve également un ensemble exceptionnel de dessins de Georges Méliès.
D’importants dons récents ont permis d’enrichir la collection, notamment grâce aux auteurs de films d’animation Marjane Satrapi (Persépolis), Sébastien Laudenbach (La Jeune fille sans mains) et Jacques Colombat (Robinson et Cie).
Riche de plusieurs milliers de documents, et encore peu connue du public, cette collection embrasse le cinéma dans son ensemble, toutes nationalités, tous genres et toutes époques confondues. Par divers documents représentatifs (dossiers de presse, manuels d'exploitation, cartes postales, timbres, livres d'or...), elle témoigne de l'évolution de la publicité cinématographique, outil indispensable à la promotion d'un film.
La collection comprend plus d’un million de photographies (photos de plateau et de tournage, promotion, portraits, salles de cinéma et événements). Riche de nombreux documents rares (les photos de tournage du Napoléon d'Abel Gance, par exemple), elle possède des clichés de certains grands noms de la photographie de plateau comme Roger Forster, Emmanuel Lowenthal, Roger Corbeau, Léo Mirkine, Walter Limot, Raymond Cauchetier, Georges Pierre, Vincent Rossell ou encore Pierre Zucca.
Parmi les photographes actuels qui ont confié leur travail à la Cinémathèque, David Koscas, Nathalie Eno, Bernard Fau, Moune Jamet, Catherine Faux, Jérôme Plon...