Музей реставрировали с 2006 года. За это время увеличили основное пространство здания до 8,5 тыс кв метров (было всего 3 тыс кв м), теперь тут работает 9 зон-экспозиций, вместо одного зала.
Экспозиция долгие годы пополнялась уникальными экспонатами, многие из которых впервые открыты для посетителей. Здесь стоит знаменитая ракета ГИРД, впервые пущенная еще в 1933 году, хранятся личные вещи основателей космонавтики, книги, приборы, чертежи Королева, Цандера, Циолковского, документы, бортжурналы космонавтов, письма, стенограммы выступлений, кино- и аудиохроника, богатая коллекция фотографий и более 4000 редких книг.
В отличие от большинства музеев, это место, где многие экспонаты руками трогать разрешено и окунуться в космонавтику с головой можно при помощи интерактивных тренажеров и стендов. Космические "аттракционы" имитируют путешествие на Луну, полет в открытом космосе, стыковку и многое другое, что в реальности видят, слышат и ощущают космонавты на орбите. Например, на тренажере в виде поисково-спасательного вертолета можно совершить рейс с заданием - найти приземлившихся космонавтов и оказать им помощь. А на макете спускаемого аппарата космического корабля "Союз ТМА" посетители имеют возможность отработать стыковку с орбитальным комплексом "Мир".
В музее есть и свой мини-ЦУП. Как и настоящий Центр управления полетами, он оборудован экранами и постом оператора, следящего за тем, что происходит в космосе. Отсюда ведется наблюдение за МКС в реальном времени: информация в музейный "цупик" поступает он-лайн из настоящего Центра управления полетами, что в Королеве. Посетители могут слышать переговоры экипажа, смотреть видеосюжеты космонавтов, находящихся в данный момент на борту Международной космической станции. А у журналистов самым большим "спросом" пользуется интерактивная кабина под названием "Буран", она имитирует "космический полет" со всеми его "сюрпризами" - вибрация, удары, качка.