Музейные залы вмещают четыре постоянные экспозиции: «Жизненный путь К.Э. Циолковского», затрагивающая также сюжеты из жизни родного села ученого, «Научные открытия», «Претворение в жизнь научного наследия К.Э. Циолковского», «Претворение в жизнь космических идей К.Э. Циолковского». Музейные залы наполнены как подлинными предметами, связанными с освоением космоса, так и фотографиями, моделями и многим другим. Среди выставляемых предметов – спускаемый аппарат космического корабля «Союз–22», подлинный скафандр дважды Героя Советского Союза летчика-космонавта О.Г. Макарова, макеты первых жидкостных ракет, макет Первого искусственного спутника Земли, образцы космического питания, а также прижизненные издания работ Циолковского, его единственный прижизненный скульптурный портрет и уникальный экспонат – единственная в своем роде фотография пятилетнего Кости Циолковского.