Экспозиция музея построена необычным образом. Посетители словно оказываются «внутри» происходивших в прошлом событий и могут не только представить прошлое на основании знакомства с историческими экспонатами, но и отчетливо ощутить атмосферу военного времени. Тихие затемненные залы, тусклые цвета, необычная обстановка, реконструирующая быт военных лет, окружение знакомых по старым фильмам предметов вызывают особое настроение и оказывают на гостей музея глубокое психологическое воздействие.

В пяти оригинально оформленных залах представлены различные исторические этапы хода войны и обороны города. В первом зале посетители оказываются среди обстановки, которая соответствует первым месяцам войны. Они узнают о том, как проходила мобилизация, эвакуация из города детей и строительство военных укреплений. Личные вещи солдат, офицеров и простых горожан, пожелтевшие от времени письма, фотографии улиц города и горожан, напряженно прислушивающихся к объявлениям их репродукторов, иллюстрируют обстановку царившей в те дни неопределённости и тревоги.

Следующий зал посвящен противовоздушной обороне Москвы. Здесь можно увидеть настоящий аэростат, висящий под потолком, уголок госпиталя, в котором спасали раненых бойцов и горожан, пострадавших при бомбежках, кусочек тоннеля метро и ретро-автомобиль. Настоящая сирена (в мини-варианте) дает возможность узнать, как звучало предупреждения об авиационных налетах немецких бомбардировщиков.

Далее экспозиция музея повествует о героической борьбе с фашистами бойцов, тружеников тыла и народного ополчения. Здесь можно увидеть настоящий немецкий мотоцикл, оснащенный пулемётом, мины и снаряды, которые выпускались на тыловых заводах, немецкие и советские автоматы, медали защитников города. Многочисленные фотографии рассказывают об истории московского ополчения, когда воевать с врагом, подступившим к окраинам Москвы, отправлялись даже старики и подростки.

История советского контрнаступления содержит немало деталей острого солдатского юмора. В зале можно увидеть «Азбуку красноармейца», в которой освобождаемые от немцев населённые пункты расположены в алфавитном порядке, и каждому посвящено весёлое четверостишие. В зале Победы можно увидеть украшенную цветами теплушку с надписью «Мы из Берлина», Акт о капитуляции Германии.

В залах музея запрещена фото- и видеосъемка, но в фойе можно сфотографироваться на память в настоящей солдатской каске и плащ-палатке. Перед входом в Государственный музей обороны Москвы установлены образцы советской военной техники.

В музее проводятся экскурсии для школьников. Кроме того, работники музея проводят выездные тематические лекции о войне, которые иллюстрируются плакатами, фотографиями, демонстрацией документальных фильмов и кинохроники.