Основная экспозиция размещена в семи тематических залах, где представлены уникальные авиационные и космические реликвии, приобретенные музеем в прошлые десятилетия.
В залах авиации демонстрируются макеты практически всех самолетов от момента зарождения авиации и до настоящего времени, уникальные механизмы летательных аппаратов, авиационные моторы, документы и фотографии.
В залах космонавтики рассказывается о ракетостроении, можно увидеть макеты ракет, первые ракетные двигатели и искусственные спутники Земли, тренировочную кабину первой собаки-космонавта Лайки, скафандры, снаряжение, продукты питания космонавтов и многое другое. В музее также находится настоящая тренажерная кабина корабля-ракетоплана «Буран».