یکی از جذاب ترین موزه های مجموعه سعدآباد موزه اتومبیل های سلطنتی است که تعدادی از تولیدات شرکت های خودروسازی معروف جهان را خواهید دید. این موزه تنها موزه در ایران است که تمامی اتومبیل های موجود در آن سلطنتی هستند و به دوران پهلوی تعلق دارند. اتومبیل های این موزه عبارتند از: سه دستگاه رولز رویس ،یک دستگاه خودروی اسپید باگی، پنج دستگاه بنز، شش دستگاه موتور سیکلت، یک دستگاه اسنوموبیل و یک دستگاه کالسکه. گالری رولزرویس و گالری بنز بخش های جذاب این موزه به شمار می روند. در بین این دو گالری مرسدس بنز اس ال 300 به نمایش در آمده است که یکی از زیباترین و کمیاب ترین خودروهای کلاسیک جهان محسوب می شود و به فرح دیبا تعلق داشته است. مرسدس بنز 600 با بدنه و شیشه های ضدگلوله از دیگر آثار فاخر این مجموعه به شمار می رود که مورد استفاده محمدرضا پهلوی بوده است.