Trong khuôn viên rộng 4567m2 ở phía trước bảo tàng, gây sự chú ý cho du khách là những hiện vật gốc, hết sức ấn tượng. Đó là toàn bộ vũ khí, khí tài ghi đậm dấu ấn chống Mỹ trong 12 ngày đêm cuối năm 1972: M21 loại máy bay mà các anh hùng Phạm Tuân, Vũ Xuân Thiều đã bắn rơi máy bay B.52 của Mỹ, tên lửa SAM 2 đã từng bắn rơi máy bay B.52 cùng với các loại vũ khí pháo phòng không của quân và dân ta đã tạo nên thế trận phòng không nhân dân: ra đa phát hiện mục tiêu, pháo cao xạ 37mm, 100mm, rồi pháo 14,5mm đã từng bắn rơi máy bay F111 vào năm 1972… Ngay gần cổng vào là phần trưng bày mô hình máy bay chiến lược B.52, được ghép lại từ nhiều chiếc máy bay B.52 bị bắn rơi, trong đó có cả xác chiếc máy bay B.52 bị quân và dân Thủ đô bắn rơi xuống làng hoa Ngọc Hà trong đêm 27/12/1972, cạnh đó trưng bày sưu tập bom của Mỹ đã thả xuống miền Bắc và Thủ đô Hà Nội trong 12 ngày đêm…

Rời khu trưng bày ngoài trời, du khách vào tham quan nội dung trưng bày trong nhà của bảo tàng. Với diện tích trên 1.000m2, nội dung trưng bày hết sức phong phú, theo các chủ đề khác nhau về lịch sử văn hóa truyền thống cách mạng của đất nước và Hà Nội.

Qua cầu thang lên tầng hai, du khách sẽ tham quan nội dung chính đề cập tới 12 ngày đêm khói lửa cuối tháng 12/1972, với rất nhiều hình ảnh, hiện vật cùng với các giải pháp trưng bày, ánh sáng mang tính khái quát về: âm mưu của địch, sự tàn khốc của chiến tranh hủy diệt ở Bệnh viện Bạch Mai, phố Khâm Thiên, hình ảnh khắc phục hậu quả của máy bay địch bắn phá Hà Nội, hình ảnh quân và dân ta vượt lên nỗi đau, chiến đấu bảo vệ Thủ đô, bắn hạ máy bay chiến lược B.52 và nhiều loại máy bay khác… Tiếp nối là phần trưng bày sưu tập hiện vật trang bị cho phi công Mỹ: ghế, dù, mũ, sách chỉ dẫn, bản đồ, sa bàn, đồng hồ, dụng cụ lao động khi bị lạc đường… Phần trưng bày sa bàn, có 3 màn hình giới thiệu khái quát diễn biến chiến dịch “Điện Biên Phủ trên không” 12 ngày đêm cuối năm 1972, với các địa danh bị máy bay địch bắn phá, nơi bị máy bay B.52 rải thảm, trận địa phòng không ra đa, tên lửa của ta, các sân bay để máy bay của ta cất cánh, vị trí các loại máy bay trong đó có máy bay B.52 bị ta bắn rơi, hình ảnh ký kết Hiệp định Pari tháng 1/1973 và một Hà Nội khắc phục hậu quả chiến tranh, vươn lên trong thời kỳ đổi mới.

Ngoài ra, trong nội dung trưng bày có phần trưng bày giới thiệu về sự ủng hộ cuộc chiến tranh chính nghĩa của nhân dân Việt Nam của các nước XHCN anh em và nhân dân tiến bộ trên toàn thế giới, sự ủng hộ của cả nước đối với Hà Nội, Hà Nội với cả nước, một Hà Nội đang phát triển trong công cuộc đổi mới.

Thượng tá Vũ Chí Công - Giám đốc Bảo tàng chiến thắng B.52 cho biết: Đối tượng khách của Bảo tàng hiện nay chủ yếu là các cựu chiến binh, học sinh sinh viên, các Ban, ngành đoàn thể trong đó lượng khách quốc tế đến còn rất khiêm tốn. Trong định hướng phát triển, bảo tàng sẽ tiếp tục đẩy mạnh công tác sưu tầm hiện vật để làm phong phú kho cơ sở và bổ sung hiện vật cho phần nội dung đang trưng bày, đổi mới, nâng cao hơn nữa chất lượng của đội ngũ thuyết minh, cộng tác viên trong hướng dẫn, giới thiệu, phục vụ khách tham quan, tăng cường phối hợp với chính quyền địa phương, các tổ chức đoàn thể bảo tồn, bảo vệ cảnh quan môi trường hồ Hữu Tiệp nơi có xác máy bay B.52 rơi nhằm để khai thác, phát huy giá trị của di tích.