Музей открыт в помещениях правого фаса Иоанновского равелина, где в 1932–1933 годах размещался II отдел Газодинамической лаборатории (ГДЛ) — первой отечественной опытно-конструкторской организации по разработке ракетных двигателей. Руководил отделом Валентин Петрович Глушко.
Экспозиция музея посвящена истории российской космонавтики и ракетной техники и роли, которую сыграли петербургские-ленинградские ученые, инженеры, конструкторы в развитии этого направления отечественной науки и техники. В музее представлены уникальные разработки конструкторов лаборатории.
В залах музея демонстрируются макеты первого искусственного спутника и космического корабля «Восток», на нем 12 апреля 1961 года летал в космос первый в мире космонавт Ю.А. Гагарин.
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.