Музейная коллекция произведений изобразительного искусства представлена прежде всего произведениями калужских мастеров кисти и резца: Н.Г. Прозоровского, Н.А. Татарниковой, А.И. Божко, Л.А. Климентовской, А.И. Котельникова, А.А. Каурова, Д.И. Иванова и других. Особо среди них следует выделить работы В.П. Любимова — единственного из авторов, знавших ученого.

Среди других авторов, работавших над образом Циолковского, — московские скульпторы А.И. Посядо и М.Р. Седов, художник В.П. Арлашин.

Тема космоса в собрании музея представлена работами одного из родоначальников космической живописи, члена группы «Амаравелла» Б.А. Смирнова-Русецкого, произведениями космонавтов-художников А.А. Леонова, В.А. Джанибекова, художников В.В. Арепьева, И.И. Мирошниченко, А.К. Соколова. Среди работ художника Соколова особую ценность представляет небольшой эскиз картины «Париж. Весна, начало лета». Эта работа побывала в космосе на борту орбитальной станции «Салют».