Siffror från Föreningen för skotska besöksattraktioner (ASVA) har visat att totalt 1,81 miljoner människor besökte Edinburghs museum - en ökning med 15,5 procent jämfört med föregående år.
Edinburgh Castle välkomnade 1,77 miljoner människor, upp 13,4% jämfört med 2015.
Besök i hela Skottland ökade för tredje året i rad 2016.
Nästan 30 miljoner besök gjordes i 249 av ASVA-medlemmarnas anläggningar i Skottland förra året - en ökning med 6 % jämfört med 2015 års siffror.
Skottlands nationalmuseum öppnade 10 nya gallerier i juli 2016.
Direktör Gordon Rintoul sade: " Det gläder mig att de senaste besökssiffrorna från ASVA har bekräftat Skottlands nationalmuseum som den populäraste besöksattraktionen i Skottland.
"Dessutom har vi noterat de högsta besökssiffrorna någonsin på alla våra sajter med nästan 2,7 miljoner besök."
1 National Museum of Scotland (gratis), Edinburgh - 1 810 948 besökare
2 Edinburgh Castle (betald) - 1.778.548 besökare
3 Skotska National Gallery (gratis), Edinburgh - 1.544.069 besökare
4 Kelvingrove konstgalleri och museum (gratis), Glasgow - 1,259,318
5 Riverside Museum (gratis), Glasgow - 1.259.042
6 St Giles 'katedralen (fri), Edinburgh - 1,171,793
7 Kungliga Botaniska trädgården Edinburgh (fri) - 857.268
8 Gretna Grön (fri) - 794,543
9 National War Museum (fritt), Edinburgh - 678,982
10 Galleri av modern konst (fri), Glasgow - 646,567
Fyra andra platser välkomnade mer än en miljon besökare vardera, med Kelvingrove Art Gallery och Museum och Riverside Museum, båda i Glasgow, locka mer än 1,25 miljoner människor vardera.
Den skotska nationalgalleriet och St Giles 'katedralen, båda i Edinburgh, drog 1,54 miljoner respektive 1,17 miljoner besökare.
Elva av de 20 främsta attraktionerna var belägna i huvudstaden, jämfört med nio år 2015.
Platser utanför topp 20 lyckades också locka fler besökare.
The Black Watch Castle & Museum i Perth och Kinross såg en 1.248% ökning i antal, till stor del på baksidan av "Gråtande fönster", en skulptur med tusentals handgjorda keramiska vallmominnen som hedrar dem som dog i första världskriget.
Förra året besökte 195 301 personer museet, en ökning från 14 483 besökare 2015.
I Highlands bidrog intresset från TV-serien Outlander till att öka antalet besökare på Culloden Battlefield Visitor Centre, som ökade med 21 % från 115923 år 2015 till 139 691 förra året.
Kulturminister Fiona Hyslop sade: "Det är fantastiskt att skotska besöksmål spelade in ännu ett framgångsrikt år 2016, med nästan 30 miljoner besök på några av Skottlands mest populära och ikoniska turistplatser.
"Jag lovordar ASVA:s utmärkta arbete med att skapa besöksupplevelser av hög kvalitet och bygga upp Skottlands rykte som en toppdestination för besökare från hela världen."
ASVA:s ordförande Douglas Walker sade att siffrorna visade att turistattraktionssektorn i Skottland var i "robust health".
Scotland National Museum övertog Edinburgh Castle för att bli den mest populära besöksattraktionen i Skottland förra året.