Експозицията в зала „Въздухоплаване и авиация” е увлекателен разказ за издигането на българите в небето, за приноса им в авиацията, за участията им в Балканските войни (1912-1913 г.), в Първата и Втората световни войни и Студената война. Разказът възкресява времената, когато родните самолетостроителни фабрики са произвеждали стотици самолети и когато всичко е било унищожавано и сме започвали от нулата.
През 1892 г. френският въздухоплавател Йожен Годар извършва демонстрационни полети по време на Първото международно изложение в Пловдив и с него за първи път летят българи.
С Указ на цар Фердинанд от 20 април 1906 г. се формира Въздухоплавателно отделение. В експозицията са показани опитите на пионерите в българското аеропланно дело Хараламби Джамджиев, Иван Гевренов, Виктор Витанов и Сотир Черкезов за създаване на летателни апарати и началото на аеропланното конструиране и авиационната наука в България. Представен е първият полет на поручик Симеон Петров в небето над София на 13 август 1912 година. В залата е изложен първият самолет – конструиран и патентован от Георги Божинов през 1912 г., но поради редица обстоятелства построен едва през 1926 г. В навечерието на Балканската война (1912 г.) е оформена структурата на българската бойна авиация и са създадени три аеропланни отделения. По време на войната са проведени първите разузнавателни и бомбардировъчни полети над противниковия фронт. Показани са лични вещи на поручиците Продан Таракчиев и Симеон Петров, възстановка на облекло на авиатор от периода, както и материали, свързани с участието на аеропланните и балонните отделения през Първата световна война. Част от витлото на нарязан и унищожен самолет, взел участие в Първата световна война, напомня за тежките военни клаузи на Ньойския договор от 1919 г.
През 1915 г. 19-годишният Асен Христов Йорданов построява самолет, който след изпитателни полети е признат за първия български самолет. Самият Йорданов, след забележително участие в Първата световна война като пилот, заминава в САЩ, където успешно работи в областта на самолетостроенето и създаването на специализирана литература за обучаване на пилоти. В експозицията е проследено възстановяването на българската авиация в периода 1920 – 1939 година, както и създаването на българското самолетостроене с възникването на фабриките в Божурище, Казанлък и Ловеч. Показани са първите серийно произвеждани самолети ДАР под ръководството на германския конструктор инж. Херман Винтер до преместването на фабриката в Ловеч през 1941 година. Отразено е производството на самолети във фабрика „Капрони” в Казанлък от 1930 г. до 1942 г., както и разработките на инженер Цветан Лазаров в ДСФ Ловеч.
Представено е участието на България във Втората световна война, въздушно настъпателните операции на западните съюзници в периода ноември 1943 – април 1944 година и включването на страната в антихитлеристката коалиция. В експозицията са изложени много лични вещи, документи и отличия на българските пилоти изтребители: Стоян Стоянов, Чудомир Топлодолски, Христо Костакиев, Димитър Списаревски, Евгени Тончев, Стефан Маринополски, Неделчо Бончев и др., защитавали родното небе в условията на голямо числено превъзходство на противника. С богат снимков материал е проследено превъоръжаването със съветска авиационна техника след 1945 г. и създаването на новите структури и формирования, съобразени с целите и задачите на военната авиация в периода 1945 -1990 г.
Своето място в експозицията имат гражданската и селскостопанската авиация на България с техните постижения и развитие през годините. Представено е развитието на нашите ВВС през 21-ви век – участието им в учения на НАТО, действията им в защита на населението и природата при бедствия и аварии.
Експонирано е ракетно и бомбово въоръжение, както и част от колекцията авиационни двигатели. Показани са и средства за спасяване – тренажор за катапултиране със седалка КМ-1МУ.Чрез множеството макети, изложени в залата, посетителят може да се запознае с почти всички самолети на въоръжение в Българските военновъздушни сили.
Експозицията във втората музейна зала „Космонавтика” представя темите за първите стъпки на човека в Космоса, страната ни като членка на Международната космическа асоциация от 1958 г., приносът ни към астронавтиката с над 30 разработки на космическа апаратура и специалната храна за космонавти
Тук е изложен спускаемият апарат на космическия кораб “Съюз-33”, с който са се приземили първият български космонавт Георги Иванов и руският космонавт Николай Рукавишников през април 1979 г. Богат снимков материал отразява подготовката и полета на втория ни космонавт Александър Александров през юни 1988 г.
