В 8 залах Музея Сталинградской битвы можно посмотреть обширные экспозиции, посвященные как самому сражению, так и в целом Советскому союзу военного времени. Много экспонатов военной техники находится на улице. Также в состав музея входит Панорама Сталинградского Сражения и Мельница Гергардта.
В первых залах находятся вооружения советской и немецкой армий. Далее расположены экспозиции, посвященные защитникам Дома Павлова, а также снайперам Сталинграда, сыгравшим важную роль в его обороне. Обширная экспозиция посвящена вооружениям и обмундированию немецких солдат и офицеров, также можно посмотреть на стол, за которым Паулюсом была подписана капитуляция.
Особый интерес представляет макет центра Сталинграда во время боев, где можно видеть, что от домов в Сталинграде остались лишь разрушенные каркасы.
В центре музея расположен огромный Триумфальный зал, из которого наверх ведет лестница в Панораму «Разгром Немецких войск под Сталинградом». Вокруг зала можно увидеть четыре диорамы: «Центральная переправа через Волгу», «Разгром ударной группировки Манштейна», «Стойкость, победившая смерть», «Захват аэродрома станции Тацинская танкистами генерала Баданова».