Музей Космонавтики ведет свою историю от комнаты Боевой Славы летного училища, созданной на основании приказа Министра обороны от 1960 года.

Музей Оренбургского высшего военного авиационного училища летчиков им. И. С. Полбина остался единственным из всех музеев расформированных летных училищ России.К сохранению экспозиции музея приложили свои старания ветеранская организация училища и бессменный руководитель Лежнин Валерий Иванович.

В 1991 году после реконструкции, приуроченной к 70-летию Оренбургского высшего военного авиационного училища летчиков им. И. С. Полбина, экспозиция приобрела современный вид. В музее хранятся личные вещи выпускника 1957 года, первого в мире летчика-космонавта, Героя СССР, полковника Юрия Алексеевича Гагарина: тренировочный скафандр и летное снаряжение (шлемофон, кислородная маска, куртка от летного комбинезона, сумка от противоперегрузочного костюма).

В октябре 2009 года приезжал дважды Герой Советского союза Алексей Архипович Леонов, а в феврале 2011 года Борис Вячеславович Грызлов - Председатель Государственной Думы РФ, который решил поддержать инициативу оренбуржцев по созданию в Оренбуржье музея первого космонавта Юрия Гагарина в здании бывшего лётного училища, где учился первый космонавт Планеты. Губернатор области Ю. А. Берг и мэр Оренбурга Ю. Н. Мещеряков просили оказать содействие в передаче здания бывшего лётного училища в собственность Оренбургской области и включении финансирования ремонтных работ в федеральную целевую программу «Культура России» на 2012–2013 годы».