地図と測量の科学館の開館前より、地図関係の書物を多数所蔵する機関は、国立歴史民俗博物館や神戸市立博物館、天理大学附属天理図書館など日本各地に存在したが、「地図専門」の博物館はなく、ましてや測量に関する博物館は存在しなかった。また既存の地図関係資料を所蔵する機関は、すべての人々にとって親しみやすい施設であるとは言い難い状況であった。そこで、1988年（昭和63年）4月21日に日本学術会議は「科学技術の最先端を行く国にふさわしい地図に関する博物館」の建設を内閣総理大臣に対して提言した。提言時点での施設名の仮称は「国立地図博物館」であった。これを受けて、国土地理院は有識者の意見を聞きながら、地図や測量について親しめるような施設を設置することを検討することになった。そして1996年（平成8年）6月1日に「地図と測量の科学館」が開館した。この年の夏には、日本国際地図学会の定期大会が、オリエンテーションルームで開催された。2011年3月11日に東北地方太平洋沖地震が発生、地図と測量の科学館も被災したが、4月23日より再開した。しかしその時点で地球ひろばの球体模型は復旧しておらず、同年12月23日に修復されたものが公開された。制作費用は5355万円である。
屋外展示であり、メインは20万分の1地勢図をつなぎ合わせて作ったセラミックタイルでできた球体模型である。地球の丸さや日本の国土の広さを体感できる。つくば市を中心として、日本列島全体を包含する半径2,200kmの範囲を切り取ったもので、実際の直径は21.5mである。身長170cmの人が球体の上に立つと、高度約300kmの軌道上にある人工衛星から日本を見下ろしているのと同じように見える。2011年（平成23年）3月11日に発生した東日本大震災以降、一般公開を中止していたが、大塚オーミ陶業が修復し、平成の大合併を反映した地勢図を使った模型に生まれ変わった。測量用航空機「くにかぜ」の展示も行われている。
戦後から現在までの空中写真（1948年〈昭和23年〉まではアメリカ軍撮影、以降は国土地理院）、明治以降の旧版地形図、世界各国の地図、「基準点成果」などの閲覧と謄本の交付を行う。ホールと情報サービス館の間を結ぶ通路は「地図のギャラリー」として、国土地理院の主題図や数値地図を出力した地図を展示する。
財団法人日本地図センターの「つくば販売カウンター」であり、国土地理院が発行する最新の全地図のほか、官民の発行した地図帳、地図や測量に関する図書、地図グッズ（地球儀・キルビメータなど）を販売する。以前は喫茶室が併設されており、喫煙可能であった。
130インチ（3.302m）の大型スクリーンを持つ、会議室とオーディオ・ビジュアルルームを兼ねた部屋である。80人程度収容。児童向けの映像上演のほか、学会の会場として使用されたこともある。
年に7回開催される企画展の会場として利用される。第1回の企画展は、「地図 楽しさと遊びの世界」と題して、日本や世界のさまざまな時代の絵地図や鳥瞰図が展示された。2012年（平成24年）5月現在の企画展は「東日本大震災から1年」である。
入り口のホールには日本列島空中散歩マップ（10万分の1スケール、縦7m×横25m）があり、赤青の3Dメガネをかけると立体的に見える。階段には、著名な測量技術者の肖像画が掲示されている。
ヴェロネーゼは1573年にヴェネツィアのサンティ・ジョヴァンニ・エ・パオロ教会の食堂の壁画『レヴィ家の饗宴』として知られる作品を描いた。この食堂に飾られていたティツィアーノがキャンヴァスに油彩で描いた絵画が火災で焼失してしまったため、ヴェロネーゼが依頼を受け、もともとは『最後の晩餐』として描き始めたものである。ヴェネツィア風の祝宴を表現した、縦5m超、横12m超という非常に大きな絵画で、ヴェロネーゼの食事の光景を描いた作品群の中でも最高傑作とされている作品である。十二使徒が集う「最後の晩餐」の情景だけではなく、ドイツ軍人、小人の道化、様々な動物など、ヴェロネーゼが作品に物語性を持たせるために多用した異国風のモチーフがともに描かれている。ヴェロネーゼの特徴である輝くような色使いとともに、豊かな物語性、感情表現、非常に繊細かつ深い意味合いを持たせて描かれている人物間の身振りなどに優れた描写が見られる作品となっている。前述したように、『レヴィ家の饗宴』はもともと「最後の晩餐」を主題として描かれていた。10年前の作品『カナの婚礼』の場ふはふ合、依頼主のベネディクト会修道僧は、作品に可能な限りの人物を描くことを望んだ。しかしながら『レヴィ家の饗宴』では、聖書のエピソードの「最後の晩餐」を贅沢な衣装を着たヴェネツィアの貴族階級の祝宴のように描いた上に、本来の聖書のエピソードとは無関係な「道化、酔っぱらったドイツ人、小人などの下品な」モチーフを用いたことが不信心ではないかとしてローマ・カトリック教会の対抗宗教改革で問題視され、1573年7月にヴェロネーゼは異端審問会に召還を受けた。この審問自体は懲罰ではなく警告を主としたもので、3カ月以内に作品を描き直すように命じられたが、ヴェロネーゼは「我々画家は、詩人あるいは狂人と同じく、心に思ったことを自由に表現する権利を持っている」と言い放ち、作品を描き直すのではなく単に作品の題名を「最後の晩餐」から『レヴィ家の饗宴』に変更するだけで、この異端審問会を切り抜けたのである。『レヴィ家の饗宴』は様々な議論を巻き起こした作品である。1960年代にもモンティ・パイソンが、ミケランジェロがカンガルー、28人の弟子、3人のキリストを『最後の晩餐』に描いたために、ローマ教皇に召喚されるというコメディを披露した。このコメディにはヴェロネーゼがあっけらかんと『最後の晩餐』を『最後から二番目の晩餐』に題名を変更して問題を解決しようとするというオチがついている。