Между тем, и ославленный Грибоедовым Саратов в начале XX века был отнюдь не глушью, а одним из наиболее развитых городов России, ничем не уступающим Киеву. Да и Житомир был вполне себе уважаемым губернским городом.
Именно в нём, в небольшом доме на улице Дмитриевской, 12 января 1907 года родился Сергей Павлович Королёв. Квартиру в доме снимал его отец — преподаватель русской словесности в гимназии. Уже в 1908 году семья переехала в Киев, но дом в Житомире уцелел, пережив и Гражданскую, и Великую Отечественную войну. Сам Королёв в сознательном возрасте в Житомир не возвращался, но его мать, Мария Николаевна Баланина, отлично помнила этот период своей жизни. После её смерти общение с коллективом музея поддерживает дочь конструктора — Наталья Сергеевна, которая обязательно участвует во всех значимых мероприятиях.
Работа по созданию музея началась ещё в 1966 году — сразу после смерти Королёва. Открыт же он был 1 августа 1970 года. 7 января 1977 года музей был открыт вторично, с полностью обновлённой экспозицией, а в 1987 году приобрёл статус самостоятельного музея (до этого он был отделом областного краеведческого).
Первоначально музей занимал только ту квартиру, в которой жили Королёвы. Вторая квартира до 1987 года оставалась жилой.
Сейчас в первой части музея расположена экспозиция, посвящённая детству Королёва, причём она постоянно обновляется. Например, в 2016 году в ней появилась швейная машинка, бывшая в семье Королёвых.
Вторая часть посвящена жизни и деятельности конструктора. Там находятся копии важнейших документов и публикаций, касающихся жизни Королёва, макеты разработанной им техники (в частности — полноразмерный макет ракеты ГИРД-09).
Кроме того, в 1991 году открыт новый корпус Музея космонавтики, в котором выставлены макеты ракетно-космической техники и даже подлинный спускаемый аппарат корабля «Союз-27» с автографами космонавтов Владимира Джанибекова и Георгия Гречко.
Сейчас в двух корпусах музея содержится более 11 тыс. единиц хранения, а посетили его с момента основания свыше 2,5 млн человек.