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 году. 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.
