Дом-музей расположен при въезде в город, внизу улицы Циолковского, названной в честь ученого, на пересечении ее с ул. Космонавта Волкова.
Исследуемый дом был приобретен К.Э. Циолковским в 1904 г. (до этого момента он снимал квартиру). Здесь ученый проживал до 1932 г. Последние два года жизни (с 1933 по 1935 гг.) К.Э. Циолковский прожил в доме No 1 на ул. Циолковского, который ему подарил Калужский городской совет на 75-летний юбилей.
Первоначально дом представлял собой небольшое одноэтажное сооружение, состоящее из комнаты и холодных сеней. Затем рядом соорудили пристройку, а над старым зданием возвели еще один ярус, окружив его верандой. Именно в этих верхних частях дома и расположились рабочий кабинет и мастерская ученого.
В 1936 г. в исследуемом доме был открыт музей, посвященный К.Э. Циолковскому. Первая экспозиция имела научно-мемориальный характер. Она рассказывала о наиболее важных направлениях творчества учёного. Одним из первых экскурсоводов стала дочь Циолковского Любовь Константиновна.
Работа музея была прервана Великой Отечественной войной осенью 1941 г. Музей предполагалось эвакуировать, но осуществить эвакуацию не удалось. В доме поселились немецкие солдаты-связисты. Несмотря на то, что некоторые наиболее ценные экспонаты сотрудникам музея и родным учёного удалось спасти, огромной потерей было полное уничтожение экспозиции и утрата многих исторически ценных предметов, книг, фотографий. Вновь музей открылся в марте 1942 г., после освобождения Калуги.
В 1957 г. музей получил новую экспозицию. Уникальные экспонаты составили первую в мире космическую выставку, рассказывающую о претворении в жизнь идей Циолковского. В 1967 г. в Калуге был открыт Государственный музей истории космонавтики имени К. Э. Циолковского. Дом-музей стал одним из его мемориальных отделов.
Интерьеры дома, надворные постройки, дворовая территория, сад были воссозданы такими, каковы они были при жизни в этом доме семьи Циолковских. Проект выполнил архитектор Г. П. Морозов.
Весной 1968 г. музей был закрыт на реставрационно-ремонтные работы, а в октябре того же года открыт с новой экспозицией как биографически-мемориальный музей. Авторами тематико-экспозиционного плана музея выступили В. В. Казакевич и А.В. Костин, художник-архитектор Г.Н. Билибина, автором проекта реставрации – Т.Д. Дмитрикова. Все помещения музея восстановлены в их виде на 1933 г., последний жизни Циолковских в этом доме. Большинство из музейных экспонатов подлинные, принадлежавшие самому учёному или членам его семьи.
В 1952 г. установлен памятник К.Э. Циолковскому (скульптура М.И. Ласточкин).
В настоящее время дом одноэтажный с мезонином и верандой над западной частью. Крыши мезонина и одноэтажной части двускатные, веранда имеет односкатную крышу. С запада к дому примыкает одноэтажный, хозяйственный объем (чулан) с односкатной крышей. С севера к дому примыкает вытянутый объем-коридор с односкатной крышей, в его западной части размещена лестница, ведущая на веранду.
