Музей космонавтики – один из крупнейших научно-исторических музеев мира. Коллекция музея насчитывает более 100 000 экспонатов. Это образцы ракетно-космической техники, вещественные реликвии, документы, филателию, нумизматику, предметы декоративно-прикладного искусства, коллекции живописи и графики.
Постоянная экспозиция размещается в 8 залах:
«Утро космической эры». Повествует о ранних этапах освоения космического пространства. Выставлены первый спутник Земли, автоматические станции «Венера-1», «Луна-3», спускаемые аппараты, скафандры «Беркут», «СК-1» и другое оборудование. Возле катапультируемого контейнера размещаются чучела двух знаменитых собак: Белки и Стрелки.
«Творцы космической эры». Посвящен исследователям с мировым именем. В зале представлены интерьер веранды домика К.Э. Циолковского в Калуге, кабинет С.П. Королева с предметами пользования, личные вещи Ф.А. Цандера, первая экспериментальная ракета на гибридном топливе «ГИРД-09».
В «Космическом доме на орбите» собраны бытовые устройства (холодильник, разогреватель пищи, стоматологическая укладка и др.), макеты кораблей «Союз», блоки станции «Мир», скафандры для выхода в открытый космос.
Зал «Исследования Луны и планет Солнечной системы» отображает историю изучения Луны, Марса и Венеры. Здесь находятся спускаемые аппараты станций, луноход, пробы инопланетного грунта.
В разделе «Космонавтика — человечеству» находятся модели современных искусственных спутников.
«Международное сотрудничество в космосе» раскрывает совместные исследования космического пространства мировыми державами. В зале размещены макеты кораблей «Союз-Аполлон», Международной космической станции (МКС), агрегаты стыковки.
«Международный космический парк» знакомит посетителей с отечественной и зарубежной ракетной техникой. Здесь представлены макеты ракет «Союз», «Протон», «Сатурн-5», «Великий поход-2F», стартовых комплексов, челноков космической авиации «Шаттл», «Буран», жидкостный ракетный двигатель РД-107.
В зале»История и культура космической эпохи» выставлены художественные картины («Гагарин перед стартом», «Над Черным морем», «Звездное детство Земли» и пр.).