Музей расположен в здании бывшего летного училища, где учился первый космонавт Ю.А. Гагарин. Основанием для создания будущего Музея космонавтики в Оренбурге послужил приказ министра обороны СССР в 1960 г. Первоначально это была Комната боевой славы Оренбургского высшего военного авиационного училища летчиков (ОВВАУЛ). По мере поступления экспонатов, поиска Героев Советского Союза — выпускников училища, в середине 1960-х годов она переросла в Музей истории училища. Современный вид музей приобрел после реконструкции 1991 года. В 2007 году Музей стал филиалом Музея истории Оренбурга и был переименован в Музей космонавтики.

В музее представлены три тематических экспозиции. Первая раскрывает историю появления самолетостроения в Российской империи, зарождения Московской летной школы в советские годы и перебазирования ее в Оренбург. Вторая посвящена подвигам выпускников летного училища в тяжелые годы Великой Отечественной войны. Третья рассказывает о послевоенной эпохе, когда летчики и инженеры осваивали космическое пространство. В экспозиции этого зала представлены экспонаты космической тематики, личные вещи Юрия Алексеевича Гагарина и многое другое.