Мемориальный комплекс состоит из двух уровней. В первом уровне находятся музей «Сталинградская битва», фондохранилище, административная часть комплекса. Этот уровень венчает платформа, на которой возведено здание панорамы «Разгром немецко-фашистских войск под Сталинградом», размещается постоянная экспозиция образцов военной техники под открытым небом. Комплекс включает исторический памятник «Руины мельницы Грудинина», памятник морякам Волжской военной флотилии, памятник мирным жителям Сталинграда, памятники полководцам Г. К. Жукову, В. И. Чуйкову, танковую башню, обозначающую передний край обороны советский войск на 19 ноября 1942, а также тематически увязан с другими памятными местами Сталинградской битвы — «Стеной Родимцева», «Домом Павлова».

Открытие панорамы состоялось 8 июля 1982 года, музей «Сталинградская битва» был открыт спустя три года, 6 мая 1985 года в канун 40-летия Победы.

Музей ежегодно посещает до 500 тысяч человек.

1 зал - Памяти героев Сталинградской битвы

В центре зала – стела в виде стилизованного изображения Вечного огня, отлитая на старейшем заводе города «Красный Октябрь» с текстом: «Памяти героев Сталинградской битвы».

2 зал - Начало Сталинградской битвы

17 июля 1942 г. началась Сталинградская битва. Экспонаты витрин рассказывают о тяжёлых оборонительных боях в большой и малой излучинах Дона, о действиях передовых отрядов, которые первыми встретили врага. 28 июля 1942 г. нарком обороны подписал приказ № 227, более известный под названием «Ни шагу назад!». В нём говорилось о требовании объединить все усилия для отпора врагу, не отступать без приказа вышестоящего командования.

23 августа 1942 г. начинаются массированные немецкие бомбардировки города, а 25 августа 1942 г. Сталинград объявляется на осадном положении. Действия военных и гражданских организаций координировал городской комитет обороны во главе с А.С. Чуяновым. Его деятельности посвящен заключительный раздел экспозиции зала.

В зале в натуральную величину представлен макет оборонительных сооружений, строительство которых велось на территории области в 1941-1942 гг. Среди подлинников – радиорепродуктор РД-10, применявшийся для оповещения населения; немецкие боеприпасы – гильза от 900-мм снаряда особо большой мощности и авиационная бомба ФАБ-1000.