特別展望台とアナログ放送用アンテナ部分の中間、高さ260 - 280mのところに直径13m・高さ12mの円筒形のアンテナを設置した。これは「3素子型2L双ループアンテナ5段15面4系統」といわれるもので、ループ型アンテナを構成するエレメントを10段30面に配置している。そして赤に塗装された上5段分から3波、白に塗られた下5段分から4波が送信される。このアンテナは前述の通り、当初は親局として使用されていたが放送大学以外の局に関しては2013年5月31日9時以降は東京スカイツリーからの送信が不可能になったときの予備アンテナとなっている。地上デジタル音声放送用のアンテナは特別展望台の直下、高さ約245mのところにプレートパラボラアンテナが設置されている（2011年3月31日の全局廃局に伴い、同年6月にアンテナ撤去）。これらの設備追加により塔は420tも重量が増加したとの案内が行われていた。2001年、タワーへのアンテナおよび送信機室の設置に伴って構造安全性が再検討され2003年から2005年春にかけて塔の構造材に鋼板による補強と塔脚一本につきコンクリート杭（アースドリル工法・直径3m、深さ約18.5mの基礎杭）が2本ずつ増設された。2003年の運用開始当初はアナログテレビの混信を避けるため出力の抑制・指向性が掛けられていたが、アナアナ変換による対策がこの地域で完了した2005年までに無指向性・所定の出力となった。
送信機は2層を使って設置されており上階にNHKのテレビジョン放送2波分、放送大学と地上デジタル音声放送の実用化試験放送用（後1者は廃局済）、下階に民放テレビジョン放送5局分、それぞれの送信機を設置。なおTOKYO MXは単独設置（アナログ送信機と共用）であった（移転済）。送信機は共通仕様に基づき設計された固体化水冷式で最大出力10kWが得られる。地上デジタル放送送信設備室はフットタウンと大展望台を結ぶ階段からでないと入ることができない。なお、前述のとおり放送大学以外の局については2013年5月31日9時以降、予備送信所となっている。
建設当初からのアナログテレビ放送送信所（送信機室）はタワービルの5階にある。ただし5階は各放送局の送信設備などが置かれた機械室となっているため関係者以外は立入禁止であり、保安上や安全上（感電事故等防止）の面からも一般人の見学はできない。なお、2008年9月にフジテレビONE（当時・フジテレビ739）で放送された『ばら・す』ではフジテレビのアナログテレビ送信設備の一部が放送されたほか、2011年3月にNHK総合・NHK BS2で放送された『ブラタモリ』（第2シリーズ）ではNHK教育テレビのアナログテレビ送信設備の一部が放送されている。また、2011年7月25日未明にテレビ朝日で放送された『ANN NEWS&SPORTS』や同日朝にNHK総合で放送された『NHKニュースおはよう日本』でも技術職員によるアナログ放送の完全停波作業のニュースが伝えられた際、それぞれのアナログテレビ送信設備の一部が放送されている（NHKは総合テレビの設備）。さらに、2013年5月31日9時に行われた地上デジタル放送の東京スカイツリーへの送信所完全移転の際には、関東ローカルニュースにて、東京タワーからの電波を止める瞬間の模様を放送した際に各局のデジタル送信所の一部が放送された。
一方、東京タワーを管理する日本電波塔は、2007年（平成19年）9月21日、放送局各局のデジタルテレビ完全移行後に、塔頂部にある現在のアナログテレビ用スーパーターンスタイルアンテナを撤去し、その場所へデジタルテレビ用アンテナを設置することで、アンテナ位置を80 - 100m上方に移動する方針を主軸とした、東京スカイツリーへの対抗案（東京タワーイノベーション計画）を打ち出し各テレビ局に打診した。80m改修案の場合、タワーの高さは変わらず、費用は約40億円で済むと言われ、各局の放送設備もそのまま流用できるなど、東京スカイツリーの建設に比べると圧倒的にコストを低く抑えられた。なお材質には、軽量の炭素繊維などを用いた場合、大掛かりな補強工事の費用は必要なく、改装費用はさらに減額することが可能であった。2010年（平成22年）9月27日、日本電波塔はNHKおよび民放テレビキー局5社との間でテレビ送信（NHKはFMも含む）の東京スカイツリーへの移行後、災害時などで東京スカイツリーから電波が送れない場合の予備電波塔として、東京タワーを利用する契約を結んだ。
2007年（平成19年）11月26日、伊予西条駅東側の隣接地に現在の北館が開館した。施設は文化財等の保護活動の一環で、日本ナショナルトラスト（当時の法人格は財団法人）がヘリテイジセンターとして建設し、管理運営は同財団から西条市へ委託されている。また北館の西隣には、新居郡中村（のちの中萩町、現在の新居浜市）出身で、新幹線建設に尽力し第4代日本国有鉄道総裁などを歴任した十河信二の生前の功績を顕彰する記念館と、観光交流センターが同時に開館した。2008年（平成20年）11月20日に入館10万人を突破し、2009年（平成21年）11月時点では入館14万人を突破している。2014年（平成26年）7月20日、予讃線を挟んだ南側に新たな展示施設として南館が開館した。それに合わせ、開館時から所在する展示館の名称を「北館」とし、現在の施設群となった。また2015年（平成27年）7月20日には、新潟県新潟市秋葉区に所在する新潟市新津鉄道資料館との間で姉妹館協定を締結した。これは当館南館の開館と、同館本館のリニューアルがいずれも1周年を迎えたことから、それらの記念事業の一環として締結されたもので、西条市と新潟市の間では、楽曲『千の風になって』にゆかりのある3市町と共同で2009年（平成21年）から実施している文化交流事業「千の風サミット」で交流が進められているのをはじめ、姉妹館締結1か月前の6月27日には災害時相互応援協定も締結している。締結式は同日、当館北館で青野勝西条市長と篠田昭新潟市長が出席して行われた。今後両館は、資料や展示品の相互貸借や観光情報などの発信で協力するほか、集客に関する情報、ノウハウの相互提供や人的交流などでも連携が進められる。2016年8月16日に総入館者数が40万人に達した。2010-13年度の4年間は年間入館者数は2万人台だったが、南館がオープンした2014年度以降は5万人台となっていると報じられている。