Le musée conserve l’un des plus importants fonds de maquettes anciennes d’origine variée. Ces maquettes, dont une soixantaine est présentée au sein de la galerie des moulages, ont pour la plupart été réalisées à l’occasion de restaurations d’édifices classés Monuments historiques ou à des fins d’enseignement. Elles permettent de suivre l’évolution des modes de construction et reflètent les connaissances acquises par le service des Monuments historiques sur les chantiers de restauration.
L’un des joyaux de la collection est une maquette de la cathédrale Notre-Dame de Paris, entrée dans les collections en 1885, témoignage unique de l’état de la cathédrale avant les interventions de Viollet-le-Duc. Construite en plâtre et en bois, en partie démontable, la maquette a été réalisée vers 1843 par Louis-Télésphore Galouzeau de Villepin (1822-1888). L’extérieur correspond aux rares photographies des années 1840 et permet d’apprécier les modifications apportées à l’édifice au cours du XVIIIe siècle.
Autre trésor, la maquette du châtelet d’entrée et d’une partie de la « Merveille » du Mont-Saint-Michel, exécutée entre 1881 et 1884, présente le projet de restauration d’Edouard Corroyer, maitre d’œuvre de la restauration de l’abbaye de 1873 à 1888. Cette maquette qui présente l’originalité d’avoir été réalisée en pierre calcaire a pu être restaurée et réinstallée dans la galerie des moulages grâce à une importante opération de mécénat participatif en 2014.
La collection du musée comprend également dix maquettes d’édifices emblématiques réalisées sous la direction de l’architecte Anatole de Baudot à l’occasion de l’Exposition universelle de 1900. L’architecte théoricien, adepte des principes rationalistes de Viollet-le-Duc dont il a été l’élève, prévoit d’utiliser les maquettes pour illustrer son « cours d’histoire de l’architecture française du Moyen-Âge et de la Renaissance », enseignement qu’il dispensera à partir de 1887 au palais du Trocadéro. Les dix modèles qui lui seront finalement commandés par la commission des Monuments historiques illustrent chacun un aspect constructif, représentatif d’une « école régionale». Avec l’aide de l’architecte Henri Chaine et du sculpteur Max Braemer, il fait réaliser ces maquettes en plâtre plein à une échelle relativement importante de 7,5cm par mètre. Elles sont conçues comme des modèles « à fragments démontables », à but didactique, permettant au grand public comme aux élèves de comprendre les problèmes architecturaux posés aux constructeurs et aux architectes restaurateurs. Dans l’esprit d’Anatole de Baudot, cet enseignement par la maquette devait compenser l’enseignement de l’architecture tel qu’il était dispensé à l’Ecole des beaux-arts, basé sur le dessin. La collection est un dépôt du Centre de Recherche sur les Monuments Historiques au Musée des Monuments français.
Depuis les premières créations d’Anatole de Baudot la collection de maquettes du musée des Monuments français s’est régulièrement enrichie. En 1913 et 1919 la collection est d’abord complétée par Henri Chaine. Trente-sept nouvelles maquettes sont commandées à l’arrivée de Paul Deschamps à la fin des années 1930. Aux maquettes analytiques s’ajoutent des maquettes d’ensemble d’édifices majeurs de l’histoire de l’architecture ou illustrant les dernières grandes découvertes archéologiques. Plusieurs campagnes se sont échelonnées jusqu’aux années 1965-1970. Précurseur en matière de recherches sur l’architecture militaire au Proche-Orient à l’époque des Croisades, Paul Deschamps fit réaliser pour l’espace dédié à la Syrie les maquettes du Crac des Chevaliers et du château de Saône. Celles des donjons de Provins, Coucy et Loches permettent, quant à elles, de documenter l’évolution de l’architecture castrale au Moyen Âge. Une maquette en bois peint et fils métalliques de l’abbaye de Cluny présente les découvertes majeures de l’archéologue américain Kenneth John Conant sur le site de la Maior Ecclesia. Parmi les réalisations les plus spectaculaires, figurent également les maquettes en plâtre de la basilique de Paray-le-Monial et de la cathédrale de Sens.
La collection de trente-neuf maquettes de charpentes, dépôt du Centre de recherche des Monuments historiques au musée des Monuments français, a été créée par l’architecte en chef des Monuments historiques Henri Deneux (1874-1969). Elle apporte un complément précieux aux maquettes d’Anatole de Baudot centrées sur la seule architecture. Henri Deneux fut le premier, dans le contexte rationaliste de son temps, à établir une typologie raisonnée des charpentes. De 1916 à 1929, il réalisa vingt maquettes qui illustrent l’évolution technique des charpentes de toits à deux versants du XIIe au XVIIe siècle, complétées de quelques exemples de dômes. De 1941 à 1947, le service des Monuments historiques commanda treize nouvelles réalisations, à la même échelle, de combles d’édifices religieux et civils.