该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。现在这里每天（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，最近该展厅正在举办“神舟飞船——卫星”展。影视报告厅过去经常举办天文知识讲座和专题报告或放映天文科教影片，现在由于建设新馆的需要，暂被用做图书资料阅览室和新馆设备贮藏室。大众天文台原有两座：一座为太阳色球天文台，另一座为大众光学天文台。两座天文台分别各设一架太阳光球色球望远镜和130毫米口径的折射天文望远镜。主要用于观众和青少年学生对太阳、月亮、大行星、彗星及亮星云的天文观测和教学实践活动。太阳色球观测台现已拆除，太阳色球望远镜将被新馆引进的太阳观测设备所代替。由于老馆建成于上世纪50年代中期，距今已运行了近50年，无论其建筑规模和设备功能都很难满足和适应当前社会形势发展的要求和需要，对此市委、市政府对北京天文馆的改扩建工程极为重视，并决定投入巨资兴建新馆。

    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。这两个剧场的演示功能是对宇宙剧场功能的一种补充和延伸。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。太阳展示厅，展览面积300米，以展出太阳和太阳系内容为主。主要展项内容有从太阳真空望远镜观测接收而来的1.8米太阳白光投影像；174毫米手描太阳黑子白光全日面投影像；艳丽多彩的太阳光谱投影像；太阳白光、太阳色球全日面和太阳局部活动区的CCD电视图象等，展示内容十分丰富。大众天文台，内置一台口径为40厘米的光学折反式天文望远镜。主要用于和满足观众、青少年学生对天文观测与教学实践活动的需要。

    随着新馆的建成开放，必将会极大地丰富北京天文馆的开放展示内容和天文教学的手段，同时为进一步繁荣首都的科技文化市场，促进首都的两个社会主义文明建设的发展和市民的科学文化素养的整体提高做出新的更大的贡献。