Музей состоит из четырёх залов. В первом зале экспозиция воспроизводит обстановку дома Зелинских, а также детство ученого до переезда в Одессу. Экспозиция второго зала рассказывает о жизни Николая Зелинского в Одессе, а затем об учёбе и научной деятельности в Германии, Москве и Петербурге. В третьем зале представлены экспонаты, рассказывающие о втором московском периоде, а также материалы, повествующие об общественной и научной работе в советское время. Экспозиция четвёртого зала посвящена ученикам академика, продолжившим его дело, а также материалы, посвященные памяти о великом ученом. Завершается экспозиция четвёртого зала разделом, знакомящим с современной продукцией химических предприятий республики: тубами для хранения сухих веществ, изделиями для парфюмерной промышленности и другими материалами.
Недавно дом-музей академика пополнили экспонаты, которые собирались последние 5 лет, в частности, книга Андрея Зелинского «Защита творения», в которой подробно описана история создания противогаза Николаем Дмитриевичем. В числе печатных экспонатов и мемуарная книга «Среди химиков и художников» Раисы Зелинской, дочери академика. В 2010 году она посещала музей и очень тепло отозвалась о нем в своей книге.
«Наш музей уникален, ведь мемориальный кабинет Николая Зелинского в Москве закрыт. Сейчас только у нас для посетителей открыты экспонаты, сохранившие память о жизни выдающегося химика», - рассказала старший научный сотрудник дома-музея Юлия Мосяева.
