1929年中央研究院在国立天文陈列馆（即北京古观象台）的发展报告中这样批道：“若论宣传天文起见，则德国蔡司厂之天象仪，美妙无比，但价值过昂，处现在状况之下尚谈不到。”嗣后，高鲁、张钰哲、陈遵妫、李珩等现代中国天文学的先驱者纷纷撰文，介绍和宣传有关天象仪和天文馆的知识，呼吁中国天文馆的诞生。

  1954年夏，中国驻前民主德国使馆向外贸部门反映说，前民主德国的蔡司天象仪是一种科学普及教育仪器，德方对中国有贸易差额，建议购买天象仪，作为一部分外贸补偿。随后这份文件转到中央文委，同年9月中央文委决定筹建北京天文馆，并由中国科学院负责办理。中国科学院从年度经费中调剂200亿（人民币改革前的旧币）作为建馆经费。

即将竣工时的北京天文馆

  北京天文馆开馆典礼1957年，北京天文馆正式对外开放，坐落于北京市西城区西直门外大街138号，占地面积20,000平方米，建筑面积26,000平方米，是中国第一座大型天文馆，也是亚洲大陆第一座大型天文馆。天文馆的建筑设计师是建筑师张开济，室内装饰是由美术大师吴作人和周令钊等人完成的。9月29日上午，在北京天文馆开馆典礼上，北京市副市长吴晗致祝辞。

  1991年，因为老馆超期服役，天文馆的设备和建筑出现了不同程度的老化，北京天文馆的改造被提上议事日程。经过招标，几个商业化中的一个方案“在天文馆原地将建起超高层的现代化大楼”在当时引起了强烈争议。李元等天文馆元老、张开济等建筑师明确表示反对。

  二十世纪五十年代的北京天文馆1998年夏天，因为传闻决定拆除天文馆，天文馆迎来了一场“天文馆告别热”，到天文馆来的观众是往常的三四倍。

  2000年9月8日，北京天文馆老馆最终避免了被拆除的命运，决定在保留老馆的前提下，由市政府投资2亿修建新馆，并与老馆建筑相互呼应。

  2001年12月26日，北京天文馆扩建工程正式开工，建筑面积两万多平方米，是原天文馆规模的近10倍。同时，新馆在功能上超越传统天文馆，具备星空表演、动感电影等令人震撼的视听效果。

  2004年12月12日，投资3亿多元人民币、耗时近三年建成的北京天文馆新馆（B馆）开始对公众开放。

  北京天文馆(22)2006年1月20日，北京天文馆B馆展览二期工程收尾后重新对公众开放。总布展面积约2000平方米，分布在B馆的一层和二层，共设有大行星、小天体、天文观测等十多个展区。数字宇宙剧场新推出一部数字天象节目《神奇的宇宙》，影片的部分进程将由观众投票决定。7月6日，北京天文馆B馆的“快乐探索宇宙天文展览”正式对外开放，展览共有15个展区，除了太阳区外其它14个展区都是首次推出。11月6日，北京天文馆老馆（A馆）开始改造，预计总投资6000万元，除更新天象仪、音响、投影机等主要设备外，还将对整个建筑的内外部进行重新装修，并改造供电、空调等系统。

  2007年8月A馆整个建筑的硬件部分已改造完成，天象厅步道两侧的窗户变小，座椅由以前的600席减少到500席，坐席更宽大舒适。开始更换的天象仪由国外进口，并加装了达到3000万像素的全天域投影系统画面，此外还将加入激光表演及多声道环绕立体声音响。

  2008年7月11日，A馆重新开放，东西展厅共800平方米，有《旋转星空》《奥运星空》两个展览，前者是一个长期展览，设置了14个互动展项用于教参观者认星，体会日、地、月等天体的相互空间位置，体验站在地面上观测天文现象。而《奥运星空》科普人文展将展示奥运历史上重大时刻发生时的星空图。

  2009年5月22日，北京天文馆分别在大兴区第一小学、大兴区庞各庄镇第二中心小学建立“天文教育研究基地”和“天文观测实践基地”，天文馆会派天文专家对学校天文教育工作进行指导。

  2010年12月3日，北京天文馆3D剧场历经半年多的数字化改造重新开放。

  2012年4月，北京天文馆和索尼中国联合打造的“索尼4D科普剧场”投入使用。剧场位于B馆2楼，能容纳200席座位，其4D环幕长33米、高6米。由6台索尼4K投影机在180度的环形银幕上放映出具有立体效果的影片。

  2013年5月14日，国家文物局公布《关于西藏博物馆等6家博物馆重新定级评估结果的通知》，北京天文馆因为连续两年运行评估为“基本合格”，且2013年的重新定级评估总分为781.4分低于国家一级博物馆800分的评分标准，因此被取消国家一级博物馆等级，调整为国家二级博物馆。

  2014年1月23日，中国大陆地区首家球幕立体宇宙剧场在北京天文馆落成。经过历时一年的改造升级，北京天文馆架构了新型的前端投影设备和后端高性能服务器，同时将剧场周边辅助配备进行了换代升级。剧场采用索尼的4K·3D产品技术，架设多台4K模拟仿真数字放映机，利用超高清晰度的4K像素物理分辨率和LCOS技术的特点，达到超高亮度3D效果。另外，采用德国光谱分色式技术，运用光谱分离的方法实现左右眼立体影像的高度分离，突破了球幕立体技术的瓶颈，达到4000像素物理分辨率。

  2017年5月18日，第三批国家一级博物馆授牌仪式在首都博物馆举行，北京天文馆领取了标牌和证书。