Die Technischen Sammlungen (vormals „Astronomisch-Physikalisches Kabinett“) beherbergen hochkarätige historische Messinstrumente, Uhren sowie Apparaturen für physikalische Experimente vor allem aus dem Zeitalter der wissenschaftlichen Revolution. Den Nukleus der Sammlung bilden die Messinstrumente, Planetenuhren und mechanische Himmelsgloben, die Landgraf Wilhelm IV. von Hessen-Kassel (1532–1592) für seine Sternwarte beschaffen ließ. Mitarbeiter der Sternwarte wie der Uhrmacher und Mathematiker Jost Bürgi und der Astronom Christoph Rothmann gehörten überdies zu den frühesten Anhängern des Copernicanischen Weltbilds und Kassel als einer der Hotspots astronomischer Forschung in Europa.

Nach dem Dreißigjährigen Krieg griff Landgraf Carl (1654–1730) die Tradition von Wilhelm IV. wieder auf und erweiterte die ererbte Sammlung erheblich, um das Collegium Carolinum, seine wissenschaftliche Lehrakademie am Kasseler Hof, mit den präzisesten Apparaturen zur Erforschung der Natur auszustatten. Überdies gelang ihm die Berufung des Hugenotten Denis Papins nach Kassel, der als einer der drei Pioniere des Dampfmaschinenbaus um 1700 gilt. Unter Landgraf Friedrich II. (1720–1785) wurde vor allem die Sammlung astronomischer Instrumente erweitert, als 1783 die dritte Kasseler Sternwarte auf dem Zwehrenturm eingerichtet wurde.

Die letzte bedeutende Erweiterung erfuhren die technischen Sammlungen 1962 durch die Integration des Altbestands von Winkelmessinstrumenten und Präzisionspendeluhren, die zwischen 1800 und 1900 auf der Hamburger Sternwarte Bergedorf auf Expeditionen und für den Zeitdienst des Hamburger Hafens benutzt worden waren. Die Technischen Sammlungen von Hessen Kassel Heritage gelten heute als eine der bedeutendsten Spezialsammlungen wissenschaftlicher Instrumente und Uhren weltweit.