Основные направления в работе Музея-диорамы - сбор, сохранение и изучение соответственных материалов, обеспечение свободного доступа к этой информации. Центральная экспозиция представлена в большом демонстрационном зале, где разместились различные экспонаты, рассказывающие о роли Воронежского края в военной истории России, об истории воинских частей и правоохранительных органов.

Планируется создание постоянно действующей экспозиции «Воронеж - город ратной славы». На площадке перед входом в Музей-диораму размещены образцы боевой техники, преимущественно времен Великой Отечественной войны. Там же в мае 2007 года открыт мемориал, посвященный Героям Советского Союза и России, уроженцам Воронежской области.

Филиалом музея является воинский мемориал на Чижовском плацдарме. В Музее-диораме регулярно проводятся тематические выставки, книжные презентации, творческие встречи, экскурсии, литературные беседы и прочие мероприятия - в целом около 300 мероприятий ежегодно.

Действует кинолекторий с видеотекой военных фильмов. Ежегодно Музей-диораму посещают свыше 100 000 человек.