Bảo tàng có hai nội dung trưng bày là: Hàng không dân dụng (gồm khối lượng các hiện vật tái hiện lịch sử của ngành hàng không thế giới từ khi xuất hiện giấc mơ bay vào vũ trụ cho đến thời kỳ kế cận) và chinh phục không gian (các loại máy bay quân sự, vũ khí chiến đấu của Không lực Hoa Kỳ…)
Phòng trưng bày gồm 6 tầng, được làm bằng kính. Nơi đây lưu giữ 39 chiếc máy bay của những năm đầu trong ngành hàng không, trong đó 20 chiếc được treo trên trần. Công trình thiết kế dựa theo kiểu hangar chứa phi cơ, tạo thành 4 hình khối hộp vuông có áp tường bằng đá hoa cương. Riêng 3 tòa nhà kính sườn thép để trưng bày được những đồ vật to lớn.
Máy bay X-15. Đập vào mắt khách tham quan bảo tàng khi bước vào khoảng giữa tầng 1 là chiếc máy bay X-15. Sau hơn 60 năm ra đời, đây vẫn là chiếc phi cơ nhanh nhất, bay cao nhất thế giới của Bắc Mỹ. Nó đạt vận tốc siêu âm gấp từ 4-6 lần tốc độ âm thanh, và hoạt động ở độ cao trên 30.500m. Trong một lần thử nghiệm, X-15 đạt độ cao hơn 108km (67 dặm), đến năm 1967 đạt vận tốc 7.297km/h, có thể chạm tới rìa không gian, sau đó lia thấp xuống phía trái đất, thu thập dữ liệu giúp hoàn chỉnh thiết kế và chi tiết sản xuất các tàu vũ trụ Mỹ sau này (bao gồm cả tàu con thoi của NASA). Đội ngũ phi công ưu tú được tuyển chọn để điều khiển chiếc máy bay này chỉ gồm 12 thành viên, trong đó có cả Neil Armstrong, người sau đó đã dẫn đầu phi hành đoàn đổ bộ lên mặt trăng năm 1968.
Douglas D-558-2 Skyrocket là một loại phi cơ nghiên cứu siêu thanh do Douglas Aircraft chế tạo cho Hải quân Hoa Kỳ. Máy bay thực hiện chuyến bay đầu tiên vào năm 1948. Ngày 20/11/1953, trong một được lái bởi phi công A. Scott Crossfield nó đã đạt vận tốc bay gấp hai lần vận tốc âm thanh (2M).
The Soviet SS-20 và Pershing II. Đây là hai trong số hơn 2.600 tên lửa hạt nhân bị cấm bởi Hiệp ước Các lực lượng Hạt nhân Tầm trung (INF) được Mỹ và Liên Xô ký năm 1987. Chiếc SS-20 của Liên Xô mang ba đầu đạn hạt nhân từng được triển khai tại 48 căn cứ ở nước này từ năm 1976. Còn Pershing II là một tên lửa đạn đạo tầm trung, di động được quân đội Hoa Kỳ triển khai tại các căn cứ của Mỹ tại Tây Đức từ năm 1983, nhằm vào các mục tiêu ở phía Tây Liên Xô. Mỗi chiếc Pershing II mang một đầu đạn nhiệt hạch đơn, có năng suất biến đổi với lực nổ tương đương 5-50 kiloton thuốc nổ TNT.
Tàu vũ trụ Mecury Friendship 7 (bên phải ảnh). Ngày 20/2/1962, ông John Glenn, người Mỹ đầu tiên bay vòng quanh quỹ đạo trái đất năm 1962 với 3 vòng bằng con tàu này trong gần 5 giờ. Đây là chuyến bay khôi phục niềm tin của người dân xứ cờ hoa trong cuộc chạy đua chinh phục không gian bởi trước đó một năm, nhà du hành Yuri Gagarin của Liên Xô đã trở thành người đầu tiên bay vào vũ trụ.
Tàu vũ trụ Gemini IV. Gemini là chương trình thứ 2 trong 3 chương trình đưa người lên vũ trụ của NASA là Mercury, Gemini và Apollo. Bắt đầu từ năm 1961 tới năm 1966, Gemini có 12 sứ mệnh trong đó có nhiệm vụ quan trọng nhất là đưa con người lên bề mặt mặt trăng và trở về trái đất an toàn. Với kích cỡ lớn hơn tàu Mercury, Gemini đủ rộng để đưa 2 phi hành gia vào vũ trụ. Bên trong khoang hình nón là hai ghế ngồi, một bảng thiết bị và bàn điều khiển, giống bố trí bên trong một chiếc ôtô. Kỷ lục đáng chú ý là vào ngày 3/6/1965, Gemini IV đã đưa nhà du hành vũ trụ Edward Higgins White đã trở thành người Mỹ đầu tiên bước đi trong không gian.
Sputnik 1. Vệ tinh nhân tạo Sputnik 1 đầu tiên trên thế giới do Liên bang Xô Viết chế tạo được tên lửa R-7 phóng lên vào ngày 4/10/1957 mở đầu kỷ nguyên chinh phục vũ trụ của loài người. Sputnik 1 dài 2,9m, đường kính 58cm, nặng 83,6kg, đạt độ cao tối đa 947km. Trong lịch sử, Sputnik 1 đã bay trên quỹ đạo trái đất 3 tháng trước khi rơi xuống và bị đốt cháy trong khí quyển.
Explorer 1, vệ tinh đầu tiên của Mỹ được phóng lên quỹ đạo vào ngày 31/1/1958. Explorer 1 ở trên quỹ đạo cho tới năm 1970 và bị phá hủy khi tiến vào bầu khí quyển trái đất phía trên Thái Bình Dương.
Viking Lander. Ngày 20/7/1976, NASA lần đầu tiên đưa tàu du hành vũ trụ lên sao Hỏa với dự án Viking Lander 1. Hai chiếc tàu vũ trụ được phóng đi đã ghi lại được hơn 65.000 hình ảnh của hành tinh này và thu thập được nhiều dữ liệu quan trọng. Mục tiêu của dự án Viking Lander 1 là tìm kiếm sự sống trên hành tinh sao Hỏa. Dù không tìm thấy sự sống nhưng dự án đã thực hiện được nhiệm vụ ý nghĩa đó là giúp các nhà khoa học có được các thông tin về hoạt động hóa chất trong lòng đất sao Hỏa, đo đạc khí quyển, cũng như vẽ một bản đồ chi tiết về bề mặt hành tinh đỏ. Hai chiếc tàu của dự án Viking Lander 1 được thiết kế chỉ dùng được trong vòng 90 ngày, tuy nhiên sau đó nó đã hoạt động lên tới hơn 6 năm.
Lunar Module LM-2. Module Mặt trăng (LM) rộng 4,4m và 9,5m, cao 7m, trọng lượng 3.855kg, được chế tạo cho chuyến bay thử nghiệm không người lái trên quỹ đạo trái đất sau chuyến bay đầu tiên của LM-1 hạ cánh thành công trên mặt trăng. Năm 1970, LM-2 được trưng bày trong vài tháng tại "Expo 70" Osaka, Nhật Bản rồi trở lại Mỹ được sửa chữa để cho giống với Module Mặt trăng Apollo 11 "Eagle". LM-2 do Tập đoàn Grumman ở Bethpage (Mỹ) sản xuất.
Telstar được phóng lên vũ trụ để thực hiện chức năng chuyển tiếp tín hiệu truyền hình và điện thoại lần đầu tiên vào ngày 12/7/1962. Vệ tinh này nặng 77 kg, hoạt động ở quỹ đạo thấp và chỉ có thể bắt được sóng trong 20 phút hoặc ngay phía trên. Các trạm thu phát tin đặt tại Mỹ và Pháp có ăng-ten lớn nhận sóng viba để điều khiển vệ tinh trong chu kỳ gần nửa giờ khi Telstar bay ngang qua đầu mỗi trạm. Tín hiệu từ Telstar được nhận và khuếch đại lên nhờ công nghệ khuếch đại sóng viba bằng phát xạ kích thích với độ nhiễu tín hiệu thấp. Sự kiện năm 1962 đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghệ viễn thông thế giới nhiều thập kỷ trước khi Internet ra đời. Những hình ảnh đầu tiên đã được truyền đi từ trạm Andover Earth ở bang Maine của Mỹ đến Trung tâm truyền thông Pleumeur-Bodou đặt tại vùng Brittany thuộc Pháp.
Discoverer XIII. Vệ tinh trinh sát quang học Corona của cơ quan tình báo không quân Mỹ với đường kính 1,8m, cao 69cm, trọng lượng 136kg. Discoverer 13 là vệ tinh do thám quang học cuối cùng trong số 5 chuyến bay thử nghiệm của loạt vệ tinh Corona KH-1. Đây là chuyến bay thành công mỹ mãn đầu tiên trong loạt vệ tinh Discoverer. Thiết bị được phóng vào ngày 10/8/1960 và trở về mặt đất lành lặn vào ngày 11 sau 17 quỹ đạo.
Phi thuyền U.S.S Enterprise có nhiệm vụ 5 năm trong việc khám phá những thế giới mới lạ, tìm kiếm cuộc sống mới, nền văn minh mới, mạnh dạn đi tới những nơi chưa có ai đặt chân tới. Các yếu tố đó cũng trở thành bối cảnh chính trong chương trình truyền hình Star Trek (1966-1969), là một hiện tượng văn hóa, tạo nên hình ảnh về một chuyến bay vũ trụ. Với ba mùa đầu, Star Trek đã truyền cảm hứng cho loạt phim giải trí lâu dài và cộng đồng người hâm mộ trung thành trên thế giới.
Máy bay Rutan Voyager. Ngày 23/12/1986, sau 9 ngày 4 phút bay trên bầu trời, chiếc máy bay thử nghiệm Voyager hạ cánh xuống căn cứ không quân Edwards ở California, hoàn thành chuyến bay không dừng vòng quanh trái đất đầu tiên chỉ với một lần nạp nhiên liệu. Cầm lái là hai phi công người Mỹ Dick Rutan và Jeana Yeager. Voyager được chế tạo chủ yếu từ nhựa và giấy cứng, mang theo lượng nhiên liệu gấp 3 lần trọng lượng của nó khi cất cánh vào ngày 14/12. Khi trở lại sau hành trình 25.012 dặm vòng quanh trái đất, nó chỉ còn lại 5 gallon xăng trong bình chứa. Phần thân chiếc máy bay này rất nhẹ nhưng vững chắc, được làm từ nhiều lớp băng sợi carbon và giấy tẩm nhựa epoxy. Chiều dài sải cánh máy bay là 33,8m. Cánh ổn định ngang được đặt ở phần đầu mà không phải đuôi máy bay - điểm đặc biệt trong thiết kế của Rutan. Về cơ bản Voyager là một thùng nhiên liệu bay, mọi chỗ trống có thể đều được sử dụng để chứa nhiên liệu và nhiều loại công nghệ máy bay tiên tiến đã bị bỏ qua nhằm giảm trọng lượng.
Lockheed F-104 Starfighter. Chiếc phi cơ đánh chặn siêu âm một động cơ và một chỗ ngồi này được Mỹ trang bị cho hàng loạt đồng minh từ châu Âu đến châu Á, do hãng Lockheed phát triển. Cơ quan Hàng không và Vũ trụ quốc gia Mỹ đã sử dụng dòng máy bay này trong 19 năm với cách ví von là "chiếc giường bay thử nghiệm và một máy bay đuổi theo". Đây là chiếc F-104 thứ 7 được chế tạo và chuyển đến bảo tàng sau chuyến bay cuối cùng đến căn cứ không quân Andrews ngày 26/8/1975. Trong quá trình hoạt động, F-104 nổi tiếng với tỷ lệ tổn thất cao do tai nạn rồi nhanh chóng bị loại. Loại máy bay này được NASA giữ lại sử dụng với mục đích thử nghiệm cho đến năm 1994.
Junker Jumo 004B (trên) và Whittle W1.X (dưới). Junker Jumo 004B được chế tạo từ năm 1939, là động cơ phản lực được sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới. Hầu hết các động cơ phản lực ngày nay đều dựa theo mẫu thiết kế này để phát triển. Còn Whittle W1.X là một trong những động cơ turbin phản lực ly tâm đầu tiên do một kỹ sư người Anh mang tên Sir Frank Whittle thiết kế và sáng chế năm 1932. Ông là một phi công gia nhập Không quân Hoàng gia với tư cách là người học việc, sau đó trở thành phi công thử nghiệm vào năm 1931.
Chiếc thùng được sử dụng để chở đá từ mặt trăng lên tàu Apollo 12. Tháng 11/1969, chỉ 4 tháng sau khi con người lần đầu tiên đặt chân lên mặt trăng, NASA sẵn sàng thực hiện điều đó một lần nữa. Cơ quan này đặt ra nhiều toan tính hơn với Apollo 12 với dự định đổ bộ xuống khu vực Đại dương Bão tố (Oceanus Procellarum - vùng tối bề mặt, còn gọi là biển mặt trăng, lớn nhất trên mặt trăng, diện tích khoảng 4 triệu km2).
Thiên thạch lớn nhất được tìm thấy trên sao Hỏa có chiều ngang khoảng 60cm. Qua máy quang phổ tia X hạt alpha xác nhận bên trong chứa nhiều thành phần gồm sắt và niken.
Tại bảo tàng còn trưng bày hình ảnh nhiều nhà du hành vũ trụ, phi công nổi tiếng khác. Trong ảnh, Charles Linbergh là người hoàn thành chuyến bay xuyên Đại Tây Dương một mình đầu tiên trong lịch sử từ Long Island, New York tới Paris, Pháp vào ngày 21/5/1927. Trước đó, năm 1924 ông gia nhập Lực lượng Phòng không Lục quân và trở thành sĩ quan dự bị trong Lực lượng Vệ binh Quốc gia Missouri. Năm tiếp theo, anh được thuê làm cơ trưởng tại Công ty máy bay Robertson bay chặng Louis với Chicago. Các chuyến du lịch hàng không tiếp theo của ông mang lại nhiều danh hiệu và được quốc tế ca ngợi, từ đó giúp Mỹ thiết lập một hệ thống hàng không xuyên lục địa.
