Architektura Stary gmach muzeum jest położony w parku na wysokim, prawym brzegu rzeki Jaczenki. W tymże parku został pochowany fizyk Konstanty Ciołkowski. Asymetryczna bryła muzeum jest niewielka, jednak dzięki swojemu położeniu jest dobrze widoczna. Paraboliczna forma planetarium przechodzi przez płaszczyznę stropu i ma symbolizować ludzkie pragnienia podboju kosmosu. Część elewacji jest obłożona płytami z falistej blachy aluminiowej, co wywołuje skojarzenia z technologią astronautyczną. Gmach jest utrzymany w barwach srebrno-szarych. Otacza go galeria, na którą prowadzą schody i pochylnie<ref name="is"/>. Wnętrza wystawowe to otwarta przestrzeń, w której znalazły się mozaiki autorstwa oraz jego panel malarski przedstawiający zdobywców kosmosu z 1966 roku.
Nowy gmach muzeum ma trzy kondygnacje o wysokości 20,5 m, elewacje wykonano z metalu i szkła, a bryłę wkomponowano w rzeźbę terenu rzecznego brzegu. Oba budynki połączono w jeden kompleks muzealny.