北京天文馆由两部分组成：北京西直门外的北京天文馆（简称西馆）和北京建国门内的北京古观象台（简称东馆）。
北京天文馆落成于1957年9月29日，设施包括天象厅，门厅，展览厅，报告厅，天文台等。是中国第一座大型天文馆，目前仍是大陆唯一的大型专业天文馆。2004年12月12日，北京天文馆新馆落成，设施包括数字宇宙剧场，3D影院，4D影院，太阳展厅等。
北京古观象台
古观象台上的古天文仪器始建于明朝正统七年（1442年），是明、清两代的国家天文台。古观象台台体高约14米，台顶南北长20.4米，东西长23.9米。现存清朝康熙、乾隆年间制造的赤道经纬仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪、纪限仪、天体仪、地平经纬仪和玑衡抚辰仪八架古天文仪器。
从明正统初年到1929年止，古观象台从事天文观测近500年，是现存古观象台中保持连续观测最悠久的，它还以建筑完整和仪器配套齐全，在国际上久负盛名。清制８架铜仪除了造型、花饰、工艺等方面具有中国的传统外，在刻度、游表、结构等方面，还反映了西欧文艺复兴时代以后，大型天文仪器的进展和成就。新中国成立后，古观象台移交给北京天文馆，现为全国重点文物保护单位。
北京天文馆是国家级自然科学类专题科学博物馆。主要通过人造星空模拟表演，举办天文知识展览，编辑出版和发行天文科普书刊，组织进行大众天文观测等形式向公众宣传普及天文学知识。除此之外，还根据不同层次的青少年学生经常性地组织举行天文讲座、天文培训、天文奥赛、知识竞赛和天文科技夏（冬）令营等各种科普活动，引导和培养学生对自然科学的兴趣和爱好。北京天文馆和北京古观象台同时被北京市命名为“青少年教育基地”。
北京天文馆概况
北京天文馆(西馆)位于位于北京海淀区西直门外大街南侧。该馆分老馆和新馆两大部分。
北京天文馆老馆的天象厅北京天文馆老馆始建于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。每天（除闭馆外）巡回放映4-5部天象节目。展览厅常年举办和展出天文知识展。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，由于建设新馆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20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需要，对此北京市政府决定投入巨资兴建新馆。
北京天文馆新馆于2001年底在天文馆原址上动工兴建，总建筑规模20000平方米，于2004年12月建成开放。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，由大型图形工作站和激光投影设备组成，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。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；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。
新馆二期展览于2006年7月6日正式对外开放，展览分为15个展区。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。
天文台
北京天文馆设有3座天文观测台。既对观众开放，又有观测任务。
新馆2004年落成，建筑顶部有两座天文台，一个是太阳天文台，安装太阳真空望远镜用于白天观看太阳色球层上的爆发，日饵，暗条，谱斑等日面活动。另一是大众天文台，内置一台口径为400毫米的光学折反式天文望远镜。大众天文台主要用于夜晚观测。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。西侧天文台内装有一架130毫米折射望远镜。从1957年至今，利用它对太阳黑子进行系统观测，积累了连续的观测资料。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。
宇宙剧场
宇宙剧场由天象厅和数字宇宙剧场组成的。
老馆天象厅中的国产大型天象仪，可以放映大约9,000颗6.55等以上的恒星，以及星座名称和星座连线，坐标系和太阳系行星视运动，还增加了古代星座三垣二十八宿的名称和连线，以及在黄道上标有二十四节气等。另外，还配备有表演彗星，流星，日饵，宇宙飞船等近百台特技效果放映器，还有幻灯机，大屏幕投影机等设备。
新馆数字宇宙剧场选用超级图形工作站，作为图形图像处理的超级计算机，超级图形工作站可以处理上十亿颗星的数据，建模、编录、作准确的空间定位，从而提供实时的、高画质的虚拟宇宙漫游。
动感剧院
3D科普剧场由6组8基座船舱式动感座椅组成，共48座位。座椅运动方向6个自由度。动感电影设备870线性回放放映系统配合相应的影片和剧场效果，会产生乘坐宇宙飞船惊险刺激的效果。
4D科普剧场由放映立体加特效影片的电影放映系统和196个观众座椅构成，6台同步电影放映机在180度的环形银幕上放映出具有立体效果的影片，根据影片情节的需要产生出喷烟、水、风及气味等特殊效果，同时座椅可以随着剧情的发展产生振动和坠落。观众观看影片时需带上特殊的眼镜。