Музей включает семь экспозиционных и выставочных залов:

• «Вятка Циолковского»;
• «Гостиная вятского чиновника 1870-х гг.»;
• «Мастерская Циолковского»;
• «Покорители неба»;
• «Обнимая небо крепкими руками»;
• «Космическая техника»;
• выставочный зал.

Посетители увидят уникальные предметы, которые дают представление о Вятке периода проживания в ней К. Э. Циолковского. Экспонаты познакомят с историей его семьи, периодом обучения в гимназии и его работой репетитором в Москве. Гости ознакомятся с коллекцией макетов самолетов, подлинными предметами, документами и фотографиями, раскрывающими историю создания Кировского аэроклуба и его первых организаторов – героев Великой Отечественной войны, великих спортсменов.

В экспозиции также представлена продукция кировских предприятий, чьи изделия используются в авиации, а также предметы, связанные с историей освоения космоса: спускаемый аппарат с парашютом, камеры для жидкого топлива двигателя ракеты и фрагмент рельса с Байконура, по которому доставлялись ракеты на старт. Ценителей восхитят огромные живописные полотна космической тематики художников А. И. Веприкова и Ю. А. Князева.