13 июня 1961 года Юрий Гагарин заложил первый камень в фундамент здания будущего музея. Музей был открыт для посетителей 3 октября 1967 года. Архитекторы — Б. Г. Бархин, Е. И. Киреев, Н. Г. Орлова, В. А. Строгий, К. Д. Фомин.
С 21 июня 1973 года на территории калужского музея космонавтики экспонируется подлинный экземпляр ракетно-космического комплекса «Восток», находившийся в резерве во время старта гагаринского «Востока-1»