上海天文馆，是世界上目前最大的天文馆，耗资6亿人民币，占地面积近6万平方米（586000平方米），建筑面积约3.8万平方米，展示面积约1.3万平方米，上海天文馆采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，局部采用钢结构和铝合金结构。

上海天文馆建筑由美国意艾德建筑事务所和上海现代建筑设计院联合设计，含有许多天文元素。主体建筑中，三个明显的圆形构成“三体”结构；椭圆形的建筑形态象征天体运行轨道，与三个“天体”一同诠释了天体运行的基本规律，暗示“万有引力”这一塑造宇宙面貌的神奇自然力。主体建筑还包含“圆洞天窗”“倒置穹顶”“球幕光环”等特色设计，令建筑好似一台天文仪器。主体建筑外的景观区域，设计了4条非同心圆的步道，它们向外延伸，象征星系旋臂。

天象厅球体是球幕影院的所在地，其球体建筑有一半悬浮于地面之上，且借助于最小化可视支撑，游客能够轻松体验到失重或反重力状态的感觉。球体形态的设计参考了宇宙的原始形状，正如通过辨别太阳或月亮的位置可以获得方向感一样，天象厅球体也可以作为游客永久的方向参照物。球体的形状不仅来自于设计元素本身的要求，也是对天体原始形态的一种抽象展现，其顶端嵌于天文馆较低裙楼的屋顶之上，整个球体宛如从地平线末端冉冉升起的新星。当游客环绕建筑行走时，球体将逐渐进入人们的视野，仿佛正从其他星球逐渐靠近这一新的星球，且置身于球体下方时，游客还会体验到失重的感觉。

上海天文馆坐落于广袤的绿化带上，包含了临时展区和长期展区、高为78英尺（约24米）的太阳望远镜、天文台、光学天文馆、教育和研究中心，以及天空数字剧场等一系列建筑实体。同时，天文馆的设计还将为人们营造身临其境的体验，帮助大家了解太空探索所使用的设备和工具，并设有教育类展览，无不成为其特色所在。