Основная экспозиция музея посвящена событиям военной истории Гомельщины с древнейших времён до наших дней. Она размещается в восьми залах на двух этажах здания музея. Среди экспонатов — коллекции холодного и огнестрельного оружия, форма солдат и офицеров, награды, фотографии и документы времён Первой и Второй мировых войн.
На открытой площадке возле здания музея размещена выставка военной техники XX века. В числе представленных экспонатов — танк Т-80Б, боевая машина десанта БМД-1, самоходная гаубица 2С1, грузовой автомобиль ЗИС-5В и ещё более 30 единиц техники. Кроме того, здесь расположены локальная экспозиция «Партизанский городок», локальная экспозиция в санитарном вагоне, а также функционирует пневматический тир.
В 2010 году при музее военной славы был образован Гомельский музей криминалистики, экспозиция которого посвящена истории борьбы с преступностью на Гомельщине за последний век. В нём можно ознакомиться с образцами оружия, амуницией и снаряжением, фрагментами кабинетов сотрудников милицейских структур, а также изъятыми у преступников отмычками, поддельными документами и денежными знаками.