Инициатива создания Музея космонавтики в Калуге принадлежала выдающимся ученым в области ракето-космической и авиационной техники: С.П. Королеву, А.Н. Туполеву, А.А. Благонравову, Л.И. Седову и др. В 1960-1961 годах Госстрой РСФСР и Союз архитекторов СССР провели открытый конкурс на проект здания будущего музея, на который поступило более 220 работ. Первую премию получил авторский коллектив в составе архитекторов: Б.Г. Бархин, В.А. Строгий, Н.Г. Орлова, К.Д. Фомин; в 1968 году они были удостоены Государственной премии РСФСР в области архитектуры.
Для музея был отведен участок на высоком берегу реки Яченки в большой парковой зоне неподалеку от мемориального дома-музея К.Э. Циолковского. Ассиметричная композиция всего сооружения, подчеркнутая лестницами и пандусами, создает впечатление легкости и органичной связи с окружающим ландшафтом. Сдержанная серебристо-серая цветовая гамма с облицовкой отдельных частей здания алюминием хорошо читается на фоне голубого неба и зелени парка.
Крупный масштаб архитектурных форм придает небольшому сооружению значительность – параболический объем, за которым скрывается лекционный зал-планетарий на 120 мест, прорезает мощную горизонтальную плиту перекрытия. Мозаика «Покорители космоса» А. Васнецова в вестибюле музея, контурный рельеф на фасаде здания, посвященный деятельности К.Э. Циолковского и достижениям советского народа, раскрывают тему освоения космоса. Экспозиционные помещения музея не изолированы друг от друга, а представляют собой единое пространство из трех связанных залов. Перед зданием располагаются дополнительные открытые участки для экспозиции и астрономические видовые площадки.