展示空間は、大きく分けて「宇宙探査と向井千秋氏の足跡をたどる記念展示ゾーン」と、「物理・自然の法則を身体で学ぶ体験型展示ゾーン」の二重構造になっています。この2つの要素がシームレスにつながっている点が、本館独自のアイデンティティです。
向井千秋氏に関する常設展示フロアでは、1994年のスペースシャトル・コロンビア号（STS-65）、1998年のディスカバリー号（STS-95）における宇宙飛行ミッションの記録が生々しく展示されています。実際に着用された船内服（フライトスーツ）や宇宙食の実物展示、微小重力環境下で実施されたメダカの産卵実験「宇宙メダカ」に関する貴重な記録など、宇宙開発黎明期の熱気を肌で感じられる品々が並びます。特に自著や当時のインタビュー記録で語られた「宇宙から見ると国境は見えない。地球はひとつの生命体である」というメッセージは、展示パネルを通じて訪れる子どもたちに深い問いを投げかけています。
一方、子どもたちが歓声を上げる体験型展示エリアには、以下のような五感を刺激する装置が密集しています。
- 真空実験・大気圧カプセル：空気を抜くことで物体に起きる変化を目の前で観察できる実験装置。
- ムーンウォーカー（月面疑似体験）：月の重力（地球の約6分の1）を体験できるジャンプ装置。体重制限はあるものの、行列が絶えない屈指の人気スポット。
- 光と鏡の迷路・偏光アート：光の屈折や反射の仕組みを遊び感覚で体得できる錯視コーナー。
- メカニカルコースター・ボールサーキット：歯車や滑車の力学原理を利用して鉄球を転がす、未就学児でも直感的に楽しめる大型知育トイ。
未就学児や乳幼児（1〜3歳）連れの家族にとっても、館内には靴を脱いで上がれるキッズスペースや授乳室、オムツ替えシートが完備されており、年齢の離れた兄弟姉妹を連れていても安心して滞在できる配慮が行き届いています。
