10 апреля 1981 года, накануне двадцатилетней годовщины исторического полёта Юрия Гагарина в космос, в основании памятника «Покорителям космоса» был открыт Мемориальный музей космонавтики. Инициатива создания учреждения принадлежала выдающемуся конструктору Сергею Королёву. В настоящее время в музее представлено более 100 тысяч экспонатов, среди которых подлинные космические аппараты, скафандры, личные предметы космонавтов, а также чучела собак Белки и Стрелки. В учреждении регулярно проводятся лекционные мероприятия, ежегодно его посещают десятки тысяч посетителей. 
Идея создания музея в столице возникла в 1960-е годы благодаря успехам советской космонавтики. Архитектурной основой будущего учреждения стал памятник «Покорителям космоса», открытый в 1964 году в Останкинском районе Москвы. Основным инициатором данного проекта выступил конструктор Сергей Королёв
В 1967 году постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР было принято решение о создании музея. «В ознаменование выдающихся достижений советского народа в освоении космического пространства организовать Мемориальный музей космонавтики в помещении существующего монумента», — говорилось в документе
1 августа 1975 года открылся филиал будущего музея — Мемориальный дом-музей академика Сергея Королёва на 1-й Останкинской улице, где он жил с 1959 по 1966 год. Музей был создан по инициативе вдовы академика Нины Ивановны Королёвой и считается одним из самых подлинных мемориальных музеев в России
10 апреля 1981 года, к 20-летию полёта Юрия Гагарина в космос, в стилобате монумента был открыт Мемориальный музей космонавтики. Оформлением интерьеров и экспозиции занимался художник Олег Ломако. По его замыслу, залы должны были создавать у посетителя ощущение пребывания в космосе
Изначально музей выполнял мемориальную и просветительскую функцию. Экспозиция рассказывала о становлении космонавтики и первых шагах человека в космосе, а также демонстрировала результаты исследований Луны и планет Солнечной системы
В 2000-х годах музей пережил масштабную реконструкцию, после которой его площадь увеличилась почти в четыре раза. Обновлённая экспозиция открылась в 2009 году и стала более интерактивной: появились мультимедийные инсталляции, тренажёры космонавтов и полноразмерные макеты космических аппаратов
Сегодня в фондах музея насчитывается более 100 тысяч единиц хранения. Среди них подлинные космические аппараты, спускаемые капсулы, скафандры, личные вещи космонавтов и архивные документы
Экспозиция музея состоит из восьми выставочных залов, кинозала и конференц-зала. Также в 2024 году здесь был открыт планетарий
Помимо оборудования и личных вещей космонавтов, совершивших орбитальные полёты, в музее можно увидеть чучела собак Белки и Стрелки
Также в музее часто проводятся лекции, выставки и встречи с космонавтами. По официальным данным музея, ежегодно его посещают сотни тысяч человек
