Музей находится в здании бывшего летного училища, где учился первый космонавт Юрий Гагарин. Его создание было инициировано приказом министра обороны СССР в 1960 году. Изначально музей представлял собой Комнату боевой славы Оренбургского высшего военного авиационного училища летчиков. С увеличением числа экспонатов и поиском Героев Советского Союза, выпускников училища, в середине 1960-х годов он превратился в Музей истории училища. Современный облик музей приобрел после реконструкции в 1991 году. В 2007 году он стал филиалом Музея истории Оренбурга и получил новое название, Музей космонавтики.