В здании музея расположено несколько выставочных залов. Выставка, посвящённая защитникам города от фашистов, разместилась в фойе.
Вниманию посетителей предлагается карта боевых действий в Воронеже и окрестностях. На выставке «Памяти павших» представлены портреты полководцев древних времён, командиров Гражданской войны, маршалов СССР.
Основная экспозиция находится в большом выставочном зале, центр которого занимает мини-диорама с изображением битвы на Чижовском плацдарме. Полотно шестиметровой ширины и двухметровой длины изготовлено к десятилетию музея.
Бои на «Чижовке» начались в сентябре 1942 года. Солдаты, среди которых были и представители воронежского народного ополчения, отбили город у противника, превосходившего по численности советские войска.
Победа на правобережном предместье города (1943) позволила начать Воронежско-Касторенскую наступательную операцию. Сегодня на месте кровопролитных боёв работает филиал «Диорамы».
На площадке второго этажа собраны экспонаты, посвящённые военно-морскому флоту. Посетителям интересны указы Петра I, подводная лодка времён Отечественной войны (макет), якорь турецкого корабля XVIII века, найденный в Азовском море, и другие реликвии. Воронеж – город, в котором сформировались воздушно-десантные войска. Портреты военнослужащих, причастных к важному событию, располагаются на втором этаже. Здесь же находится витрина с личными вещами комсостава ВВС, информационные, документальные материалы, таблица, отражающая боевой путь воздушно-десантных войск. Администрация и сотрудники музея не обошли вниманием воинов-интернационалистов.
В отдельном зале представлены материалы о героях Советского Союза и России, сражавшихся в Испании, на Кубе, в Афганистане, Африке, на Северном Кавказе. Также Воронеж (музей «Диорама») приглашает на тематические экспозиции.