Музей был открыт в доме, принадлежащем деду ученого, князю Николаю Васильевичу Ухтомскому, унаследованному его дочерью княжной Анной Николаевной, воспитавшей будущего ученого. По воспоминаниям, оставленным Алексеем Алексеевичем Ухтомским, в доме был создан интерьер гостиной XIX века. Период учебы в Рыбинской мужской классической гимназии представлен учебниками, тетрадями с прописями, школьным атласом и альбомом с детскими рисунками Алексея Алексеевича Ухтомского, иллюстрирующими Рыбинск второй половины XIX века – волжские пароходы, лодки, барки. Прекрасной иллюстрацией периода учебы мальчика в Нижегородском кадетском корпусе имени графа Аракчеева дают юношеские рисунки кадета.

В экспозиции прослеживается весь жизненный путь А.А. Ухтомского, здесь посетители увидят составленное им свое родовое древо, а также родовую печать в форме небольшого подсвечника. Украшением экспозиции является икона, написанная Ухтомским "Алексей человек божий", на которой явно просматривается пейзаж окрестностей Арефинской волости близ сельца Вослома, где располагалось имение князей Ухтомских, и где родился будущий ученый.

Интерьер воссозданного рабочего кабинета в Санкт-Петербургском университете с подлинной мебелью 30-х годов XX века позволяет рассказать об Ухтомском – создателе научно-исследовательского института физиологической науки, о талантливом педагоге. Имеющиеся в мемориальном доме-музее книги из библиотеки ученого (более 800 томов, в том числе, с записями на полях, оставленными А.А. Ухтомским) являются ярким свидетельством того, что ученый воспринял лучшие традиции русской философской мысли, пытался сказать свое слово.