北京天文馆馆分老馆和新馆两大部分：老馆始建于1955年，1957年建成开放。总建筑面积约7000平方米，主要开放设施有天象厅、展览厅、影视报告厅和大众天文台。
天象厅内设600席座位，厅内中央安放一架国产大型天象仪，它由环墙一周放置的数十台特效投影器一起组成一部完整的天象表演系统。这里每天（除周一周二闭馆外）都在巡回放映《到宇宙去旅行》等4～5部天象节目。展览厅常年举办和展出天文知识展。
新馆于2001年底在天文馆原址上动工兴建的，总建筑规模20000平方米，已于2004年的第四季度建成开放。主要的公共开放设施有：数字化宇宙剧场、3D动感天文演示剧场、4D动感影院、天文展厅、太阳观测台、大众天文台、天文教室等。
宇宙剧场，容量200席座位。引进国外先进的数字化天文放映设备，它由大型图形工作站和ADLIP激光投影设备组成，能生动形象地演绎壮丽的星空景象和人类探测太空的壮举。3D和4D动感天文剧场，其容量分别为48席和196席座位，它们以其强烈的动感、特殊的视听合成效果为观众营造出很强的临场感、震撼力氛围。