北京天文館館分老館和新館兩大部分：老館始建于1955年，1957年建成開放。總建築面積約7000平方米，主要開放設施有天象廳、展覽廳、影視報告廳和大眾天文台。
天象廳內設600席座位，廳內中央安放一架國產大型天象儀，它由環牆一周放置的數十台特效投影器一起組成一部完整的天象表演系統。這里每天（除周一周二閉館外）都在巡回放映《到宇宙去旅行》等4∼5部天象節目。展覽廳常年舉辦和展出天文知識展。
新館于2001年底在天文館原址上動工興建的，總建築規模20000平方米，已于2004年的第四季度建成開放。主要的公共開放設施有：數字化宇宙劇場、3D動感天文演示劇場、4D動感影院、天文展廳、太陽觀測台、大眾天文台、天文教室等。
宇宙劇場，容量200席座位。引進國外先進的數字化天文放映設備，它由大型圖形工作站和ADLIP激光投影設備組成，能生動形象地演繹壯麗的星空景象和人類探測太空的壯舉。3D和4D動感天文劇場，其容量分別為48席和196席座位，它們以其強烈的動感、特殊的視聽合成效果為觀眾營造出很強的臨場感、震撼力氛圍。