В основу выставки «Дорога в космос» положена коллекция, которая начала формироваться буквально на следующий день после полёта первого космонавта. Уже 13 апреля 1961 года из Саратовского аэроклуба в музей были переданы: «Комбинезон х/б, шлемофон лётный, ботинки парашютные, защитные очки, подшлемник, перчатки-краги». В акте передачи было записано: «Всеми этими вещами пользовались курсанты аэроклуба в 1954-55 гг. группы лётчика-инструктора Мартьянова. В этой же группе обучался лётному мастерству Ю.А. Гагарин». Главным экспонатом выставки является самолёт ЯК-18, на котором Юрий Гагарин учился летать.
21 мая 1961 г. после торжественного митинга на площади Революции самолёт Саратовского аэроклуба ДОСААФ с сидящим в нём человеком в шлемофоне провезли по улицам города и по проспекту Ленина (ныне ул. Московская) подвезли к музею, сняли оба крыла и в таком виде поставили на втором этаже, в отделе природы. Именно в этом зале его увидел Ю.А. Гагарин, посетив музей в январе 1965 года.
В 1976 г. к музею сделали пристройку, и самолёт с одним крылом переместился в новый зал, предназначенный специально для материалов об освоении космического пространства. К 40-летию исторического полёта, в апреле 2001 года, в зале прошла реконструкция. Была открыта выставка «Дорога в космос». В ходе подготовки к ней внешний вид самолёта был, наконец, восстановлен полностью: он вновь обрёл оба крыла.
Особое место на выставке отводится саратовскому периоду в биографии Юрия Гагарина: учёбе в индустриально-педагогическом техникуме (1951-1955 гг.) и занятиям в Саратовском аэроклубе ДОСААФ (1954-1955 гг.). Экспонируются предметы, связанные с именем Гагарина: фуражка учащегося техникума, учебные приборы, книги с его автографом и др. Тематическая экспозиция рассказывает о возвращении Гагарина из космоса именно на Саратовскую землю, где прошла его крылатая юность, о парашютной подготовке, которую первый отряд космонавтов проходил в Заволжье, о приземлении второго космонавта, Г.С. Титова, в Краснокутском районе Саратовской области. Посетители могут увидеть телефон, по которому герой космоса докладывал о своем благополучном приземлении правительству, первые автографы, кусочки шёлка от его парашюта, газеты, вышедшие в день полёта. Вызывают интерес и материалы о космонавтах, чьи биографии так или иначе связаны с Саратовским краем. Среди них фотографии, книги и документы нашего земляка Г.В. Сарафанова, а также его подарок музею – гидрокомбинезон «Форель».
Космонавт Василий Григорьевич Лазарев – выпускник военно-медицинского факультета Саратовского медицинского института. В сентябре 1973 года он совершил полёт на космическом корабле «Союз-12». На выставке представлены его фотографии. О космических полётах выпускников Балашовского высшего военного авиационного училища лётчиков Вячеслава Дмитриевича Зудова, командира космического корабля «Союз-23», и Владимира Васильевича Ковалёнка, командира космических кораблей «Союз-25», «Союз-29», «Союз Т-4», рассказывают фотографии, копии документов, газеты.
Фотографию международного космического экипажа со своим автографом подарил музею наш земляк – космонавт Ю.Г. Шаргин, один из участников полёта, совершённого в октябре 2004 года.
В 2007 году специально для выставки была изготовлена копия спускаемого аппарата «Восток-1», выполненная в масштабе 1:2,4. Подобные устройства использовались при первых космических полётах (как в автоматическом режиме, так и пилотируемых). Недавно в музее появился макет мемориального комплекса «Покорителям космоса», который предполагается построить на месте приземления Ю.А. Гагарина, сделав его музейным объектом международного значения. Выставка постоянно пополняется новыми экспонатами и пользуется неизменной популярностью у саратовцев и гостей нашего города.