Музей расположен в особняке конца XVIII века, ставшем свидетелем рождения советской авиационной науки. В музейное собрание входят коллекции моделей самолетов, автожиров, вертолетов, планеров и других летательных аппаратов. Настоящими «жемчужинами» экспозиции являются памятники науки и техники: подлинный планер Отто Лилиенталя, модель самолета «Илья Муромец» 1915 г., плоская аэродинамическая труба 1909 г., солнечный указатель курса с самолета АНТ-25. В экспозиции отражена научная биография профессора Н. Е. Жуковского, создание им научно-экспериментальной базы аэродинамики в России, создание и первые годы работы Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), история рекордных перелетов 30-х годов, отечественной авиации в довоенное время и в годы Великой Отечественной войны, развитие авиационной науки и техники в эпоху создания реактивной авиации и ракетно-космической техники.