В марте 1958 года, через несколько месяцев после запуска первого искусственного спутника Земли, был объявлен конкурс на лучший проект обелиска в честь открытия космической эры человечества. Из более 350 предложений был выбран проект скульптора А. П. Файдыша-Крандиевского, архитекторов А. Н. Колчина и М. О. Барща. Торжественное открытие монумента состоялось 4 октября 1964 года, в седьмую годовщину запуска первого спутника.
Главная часть монумента — облицованный титановыми панелями обелиск высотой 107 метров, изображающий шлейф, оставляемый за собой ракетой, находящейся на вершине обелиска.
В стилобате монумента в 1981 году был открыт Мемориальный музей космонавтики.
В 2006 году главный архитектор Москвы А. В. Кузьмин сообщил, что вблизи монумента «Покорителям космоса» будет сооружена круглая площадь с архитектурным изображением планет Солнечной системы и памятником конструктору Сергею Королёву. В конце 2008 года указанная площадь и памятник уже существовали и вошли в состав обновлённой Аллеи Космонавтов.
11 апреля 2009 года состоялось торжественное открытие Музея космонавтики после реконструкции. В ходе реконструкции в музее появился конференц-зал, клуб ветеранов космоса, общедоступная библиотека космической направленности, кафе на 50 посадочных мест. Был обновлён кинозал. В экспозиции появился полноразмерный макет фрагмента станции «Мир», внутрь которого можно зайти. Открылся зал с космическими тренажёрами, на которых желающие могут проверить свои возможности. В новой части появился филиал Центра управления полётами на экране которого можно в прямом эфире наблюдать перемещение МКС и прямые включения связи с космонавтами. В вестибюле музея можно купить «космическую» еду в тюбиках.