Двухэтажное здание дворца князя Гагарина, в котором размещен Одесский литературный музей, построено в конце 1850-х – начале 1860-х гг. Здание сочетает внешнюю простоту классического фасада с профилированными фронтонами с эклектичной пышностью интерьера. 

В оформлении парадного зала музея использованы лепные декоративные элементы, покрытые позолотой. Это главный «мемориальный» зал музея. В 1899 г. здесь разместилось Одесское литературно-артистическое общество, членами которого были И.А. Бунин, М.Л. Кропивницкий, В.М. Дорошевич, К. Чуковский и В. Жаботинский, в 1900 г. выступали М.Л. Кропивницкий и М.К. Заньковецкая. В витринах экспозиции зала представлены многочисленные материалы, посвящённые истории становления украинского и русского театров. Сейчас, отдавая дань доброй традиции, в Золотом зале проводятся литературно-музыкальные вечера, творческие встречи, выставки, выступают писатели, проходят международные литературные фестивали. 

Экспозиция зала посвящена устному народному творчеству юга Украины и началу литературной истории Одессы. В оформлении зала символы моря, степи и народного искусства соседствуют с образом нового, активно строящегося города. 

Интерьер зала напоминает дворянские литературно-аристократические салоны, которыми славилась Одесса в 20-х годах XIX века. Эти годы ознаменованы приездом в наш город Пушкина, Батюшкова, Гнедича, Жуковского и Мицкевича.

Зал оформлен в виде книжной лавки, которые стали популярны в городе в то время. В эти годы в Одессе побывали писатели Николай Гоголь, Николай Надеждин, Яков Полонский, Юзеф Игнацы Крашевский и Теодор Томаш Еж.

Экспозиция зала повествует о событиях общественной и литературной жизни Одессы 1850-60-х гг. XIX столетия. Литературную летопись Одессы обогатили имена писателей Л.Н. Толстого, А.К. Толстого, И.С. Аксакова, Н.А. Добролюбова, а Н.И. Пирогов в эти годы возглавлял Одесский учебный округ.

Экспозиция зала посвящена писателям, считающимся достоянием русской, украинской, еврейской, армянской, латышской культуры. Владимир Короленко, Иван Нечуй-Левицкий и Петр Нищинский, Днипрова Чайка и Николай Гарин-Михайловский, Менделе Мойхер-Сфорим и Шолом-Алейхем, Аветик Исаакян и Александр Ширванзаде, Андрей Пумпур и Глеб Успенский – все они творили здесь.

Экспозиция зала, посвящённая развитию журналистики и книгоиздания в Одессе, выполнена в виде фотоколлажа и атрибутов репортерской профессии. В это время в Одессе работали Влас Дорошевич, Корней Чуковский, А.М. Дерибас, С.Т. Герцо-Виноградский. А книги одесской типографии Е.И. Фесенко были известны далеко за пределами нашего города.

«Охотничья комната» украшена пилонами с рельефными капителями и барельефным фризом с изображениями хищных птиц и головами охотничьих собак, а её экспозиция повествует о неоднократных приездах в Одессу и пребывании в нашем городе знаменитых писателей А.П. Чехова, А.И. Куприна и И.А. Бунина.

В оформлении зала сочетаются образы крупного морского предреволюционного города и нелёгкой, полной тягот жизни его населения. Экспозиция рассказывает о пребывании в нашем городе Леси Украинки, Михаила Коцюбинского, Ивана Франко, Максима Горького, Лазаря Кармена и других писателей этой эпохи. 

«Треугольная комната» оформлена соответственно стилевому разнообразию, которым было богато начало ХХ века, а витрины отображают посещение Одессы такими писателями как Леонид Андреев, Анна Ахматова, Николай Гумилёв, Константин Бальмонт, Андрей Белый, Саша Чёрный, Игорь Северянин, Владимир Маяковский, Давид Бурлюк и др.

Зарождение и развитие одесской юго-западной литературной школы во времена революции и гражданской войны – вот главный мотив экспозиции этого зала. Литературные объединения Одессы сыграли немалую роль в становлении таких писателей как Юрий Олеша, Эдуард Багрицкий, Валентин Катаев.

Экспозиция зала, рассказывающая о расцвете юго-западной литературной школы, посвящена Исааку Бабелю, Илье Ильфу и Евгению Петрову, Константину Паустовскому и знаменитой газете «Моряк», Вере Инбер, частому гостю Одессы и члену «Коллектива поэтов» Владимиру Сосюре.

Фотоколлаж на стене переносит нас в противоречивую атмосферу «будней великих строек» и большого террора. В эти годы появляются литературные объединения «Юголеф», «Потоки Октября», «Гарт», «Молодая гвардия», «Станок», а активными участниками литературной жизни Одессы становятся Эдуард Багрицкий, Семён Кирсанов, Леонид Недоля-Гончаренко, Сергей Бондарин и другие писатели.

«Зал приездов», витрины которого оформлены в виде окон поезда, посвящён писателям 20-30 гг. XX века, которых приняли и полюбили в нашем городе, среди них – Павло Тичина, Остап Вишня, Борис Лавренев, Максим Рыльский, Всеволод Иванов и Борис Пильняк, Муса Джалиль, а также художник-модернист Михаил Жук. 

В оформлении использованы элементы сцены и кинозала: занавес, подиум, пианино, условный киноэкран, а экспозиция зала повествует о связях литературы с театром и кинематографом, о деятельности одесской Держдрамы и Одесской кинофабрики и о деятелях театра и кино, которые творили в Одессе в эти года: Иван Микитенко, Микола Кулиш, Лесь Курбас, Александр Довженко, Юрий Яновский.

Красно-черное оформление зала, где доминирует огромный фотоколлаж из фрагментов произведений великих испанских художников Эль Греко, Гойи, Пикассо, отражает тревожную атмосферу 30-х годов XX века, приближение фашизма и репрессий. 

Эпиграфом зала, завершающего экспозицию второго этажа, стали слова популярной песни на слова С. Кирсанова «Есть город, который я вижу во сне…». Творчество писателей, родившихся в Одессе или в разное время посетивших город у моря, ярко и многогранно отразилось в культурной жизни.

В оформлении залов, посвящённых обороне, оккупации и освобождению Одессы, использованы фотоувеличения, монументальная роспись и реликвии военных лет: противотанковые ежи, солдатские фляги. В осаждённой Одессе побывали К. Симонов, Л. Соболев, С. Бондарин, Г. Поженян, К. Паустовский, С. Михалков, И. Френкель, в оккупированном городе оказался Генрих Бёлль. 

Зал, посвящённый болгарской литературе, оформлен традиционным национальным орнаментом, фотоколлажами с видами старой Одессы и Болгарии начала ХХ века. В Одессе жил Георги Стойков Раковский, учились Христо Ботев, Иван Вазов и Алеко Константинов. А после революции Болгария стала новым домом для одесского писателя Александра Фёдорова, художника Петра Нилуса, историка Петра Бицилли.