天文馆由新馆、老馆、北京古观象台及若干馆外科普教育基地构成。北京天文馆新馆主体部分地上五层、地下两层，建筑面积21594平方米，由美国王弄极建筑师事务所、中国航天建筑设计研究院联合运用“相对论”理念设计，玻璃幕墙由深圳市三鑫特种玻璃技术股份有限公司承担。美国洛杉矶华裔设计建筑师王弄极（Nonchi Wang）以该建筑设计获得美国建筑师协会洛杉矶分会的设计荣誉奖。2006年11月起，北京天文馆老馆改造工程开始。2008年7月11日，完成改造的北京天文馆老馆重新对外开放。经过此次改造，老馆恢复了建馆初期的外