Экспозиция музея посвящена страницам истории боевого прошлого Орловщины и охватывает период с древнейших времен до настоящего времени. Особое внимание уделено одному из ключевых событий в истории края, освобождению области от немецко-фашистских захватчиков во время Великой Отечественной войны.

Центральное место в экспозиции музея занимают две диорамы. Это монументальные произведения, принадлежащие кисти известного советского и российского живописца, народного художника СССР, лауреата Государственной премии СССР А.И. Курнакова. Первая из них посвящена эпизоду начала прорыва вражеской обороны 12 июля 1943 г. на рубеже реки Зуши у деревни Малое Измайлово Новосильского района. Другая, раскрывает детали сражения под Кромами 1919 г. в период Гражданской войны. Сюжетная композиция диорамы и сегодня с подлинной достоверностью воссоздает исторические события прошлого, показывает героизм и мужество советского солдата.

Система экспозиционных залов в специально перестроенном здании Военно-исторического музея представляет ряд значительных комплексов и редких коллекций. Среди них имеются образцы вооружения и воинской амуниции средневекового воина, образцы военных мундиров XIX в. В изобразительный ряд входятхудожественные работы: портрет первого петровского солдата Бухвостова, портретная галерея орловцев – участников Отечественной войны 1812 г. Значительный ряд подлинных документов, (например подлинные письмаучастника Русско-турецкой войны 1877-1878 гг. генерала А.Н. Лаврова). Интересны подлинные фотографии и документы периода Русско-японской и Первой мировой войн.

В 2005 г. в музее был открыт зал, посвященный участию орловцев в локальных военных конфликтах второй половины XX в. Там представлены предметы, рассказывающие о службе земляков в Афганистане, Китае, Корее, Венгрии, Йемене, Кубе, Вьетнаме, Египте, Сирии, Анголе и других странах, а также их участию в контртеррористических операциях на территории России и боевых действиях на сопредельных территориях. В музее представлена большая коллекция стрелкового и холодного оружия разных исторических периодов, а на площадке перед музеем размещены образцы военной техники.