В экспозиции представлены уникальные разработки конструкторов лаборатории: ракеты на бездымном порохе (впоследствии использовались в минометной установке БМ-13, так называемой «катюше»), жидкостные ракетные двигатели и их прямые потомки — маршевые двигатели космических ракет.
В залах музея демонстрируются макеты первого искусственного спутника, (запущен в СССР 4 октября 1957 года) и космического корабля «Восток» (на нем 12 апреля 1961 года летал в космос первый в мире космонавт Ю. А. Гагарин, а 16 — 19 июня 1963 года совершила полет в космос первая женщина — космонавт В. В. Терешкова). Один из самых интересных экспонатов музея — спускаемый аппарат космического корабля «Союз-16», побывавший в космосе и вернувшийся на Землю в декабре 1974 года.
Перед входом в музей в Иоанновском равелине установлен спускаемый аппарат топографического спутника «Комета», побывавший в космосе в 1990-е годы. Он был передан музею в июне 2015 года.