Podczas II wojny światowej hitlerowcy zdewastowali synagogę i urządzili w niej magazyn sprzętu wojskowego. Po zakończeniu wojny do 1970 nadal służyła jako magazyn. W latach 80. przeprowadzono rozległe prace remontowe i konserwacyjne.
Od 1983 w synagodze mieści się Muzeum – Zespół Synagogalny we Włodawie (dawniej Muzeum Pojezierza Łęczyńsko-Włodawskiego), ze stałą wystawą poświęconą historii i kulturze polskich i włodawskich Żydów. Do najciekawszych eksponatów można zaliczyć: pochodzące z drugiej połowy XIX wieku zwoje Tory, XIX-wieczne rimonim, jady, mezuzy, korony na Torę, chanukije, tefiliny, tałesy, balsaminki i szofary. Część eksponatów została podarowana przez Jakuba Friedmanna z Australii.
Na piętrze, w dawnym chederze i równocześnie mieszkaniu nauczyciela została urządzona stała ekspozycja „W pokoju mełameda”, gdzie zgromadzono sprzęty codziennego użytku oraz księgi religijne. Zachował się również piec, tzw. koza.