Панорама "Разгром немецко-фашистских войск под Сталинградом" (авторы Н.Я. Бут, В.К. Дмитриевский, П.И. Жигимонт, П.Т. Мальцев, Г.И. Марченко, М.И. Самсонов, Ф.П. Усыпенко) является наиболее крупным живописным полотном России (размер полотна 16х120 м, площадь полотна 2000 м2, площадь предметного плана 1000 м2). Основой ее сюжета является один день заключительного этапа Сталинградской битвы — 26 января 1943 г., когда две армии Донского фронта (62-я и 21-я), выполняя задачу по расчленению окруженной 330 тысячной немецкой группировки на две части, встретились на северо-западном склоне Мамаева кургана. Смотровая площадка панорамы условно находится на вершине Мамаева кургана, откуда перед зрителем открывается вид на разрушенный город, продолжающий из последних сил сопротивляться врагу: руины мельницы, Дом Павлова, водонапорную башню вокзала Сталинград-I, заводы "Красный Октябрь", "Лазурь".

Художники уделили большое внимание соблюдению топографической привязки к местности и взаимодействию различных родов войск в ходе сражения (авиации, пехоты, танков, артиллерии). Для создания полной картины сражения авторы совместили во времени и пространстве легендарные подвиги, совершенные на разных этапах Сталинградской битвы. Зритель видит связиста Матвея Путилова, зажавшего в зубах концы оборванного телефонного провода, младшего сержанта Николая Сердюкова, закрывающего собой амбразуру вражеского дзота, летчика Виктора Рогальского, совершающего воздушно-наземный таран, санинструктора Гулю Королеву, оказывающую помощь раненному солдату, охваченного пламенем красноармейца Михаила Паникаху, бросающегося на немецкий танк. Панорама создает единый образ солдат и офицеров, выстоявших и победивших врага.

Музей "Сталинградская битва" расположен на 4500 м2 экспозиционно-выставочной площади. В центре музея находится триумфальный зал, на стенах которого отмечены номера 229 воинских соединений и объединений, принимавших участие в Сталинградской битве. За триумфальным залом по кругу расположены четыре диорамы, отражающие отдельные эпизоды сражения.

Восемь экспозиционных залов образуют круг за диорамами. Движение по часовой стрелке соответствует хронологии битвы:

Зал № 1 "Памяти героев Сталинградской битвы" (этот зал фактически является вводным и не имеет постоянной экспозиции, состоящей из музейных предметов);

Зал № 2 "Начало Второй мировой и Великой Отечественной войн. Начало Сталинградской битвы";

Зал № 3 "Стойкость, мужество и героизм в боях на ближних и дальних подступах к городу";

Зал № 4 "Уличные бои в Сталинграде";

Зал № 5 "Дальнейшее укрепление советского тыла";

Зал № 6 "Начало коренного перелома в ходе Великой Отечественной войны. Контрнаступление советских войск под Сталинградом";

Зал № 7 "Полководцы Великой Отечественной войны";

Зал № 8 "Великая Победа под Сталинградом. Всемирно-историческое значение Сталинградской битвы".

В предпанорамном зале комплекса располагаются сменяющие друг друга выставочные экспозиции. С 1989 г. в музее открыта постоянно пополняющаяся экспозиция "Афганистан — боль моя". В ней выставлены документы, награды и личные вещи участников военных конфликтов в Афганистане и Чечне, представлены образцы современного оружия и боевой техники.