В музее представлено более ста уникальных экспонатов и артефактов по истории российской авиации и космонавтики: подлинные изделия, агрегаты и макеты авиационной и ракетно-космической техники, спускаемые аппараты космических кораблей, ракетные и авиационные двигатели, авиационное вооружение, скафандр космонавта и образцы питания космонавтов, кабина истребителя СУ-9, компенсирующий костюм и другое снаряжение летчика, редкие издания, личные вещи и документы, фотографии и автографы выдающихся ученых и космонавтов.
Одна из главных художественных ценностей музея - витраж «Путь к звездам», автором которого является заслуженный художник РСФСР В. Петров.
На фронтоне музея расположены панно и горельеф академика С.П. Королёва, выполненные членом союза художников СССР А. Головниным