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北京天文馆第一个方案选址在[[天坛公园]]内，正对王府井大街延长线，后被否决。第二个方案是将北京天文馆的天象厅设在北京鼓楼上，后被否决。第三个方案选址在[[北海公园]]后门斜对面的一块三角地，后被否决。最终选定西直门外大街南侧、[[北京动物园]]对面的一片空地作为馆址，这里不仅因靠近北京动物园所以[[青少年]]和游人多，而且莫斯科假天馆也是建在动物园对面，另外北京天文馆可以和北京动物园东侧的苏联展览馆（今[[北京展览馆]]）遥相呼应。
1955年秋，在民主德国专家帮助下，北京天文馆动工兴建。1957年9月29日，北京天文馆落成开幕 <ref>[http://www.forestry.gov.cn/main/2428/content-22659.html 9月29日：北京天文馆建成开馆]，国家公园管理局，2014-9-29 </ref> 。[[国务院]]副总理[[陈毅]]、[[中共中央宣传部]]部长[[陆定一]]、[[天文学家]][[程茂兰]]等600多人参加开幕式。北京市副市长吴晗等领导在开幕式上发表讲话。当时馆内设有天象厅、展览厅、讲演厅、小天文台、小气象台。其中设在天象厅内的天象仪可以在穹顶银幕上构成“人造星空”。北京天文馆是[[亚洲]]第一座大型天文馆。
另外，位于建国门外的北京古观象台也归北京天文馆管理，古观象台是[[中国]]古代的皇家天文台。
1958年起，中华人民共和国开始自主研制天象仪，特批[[北京工业学院]]、[[北京光学仪器厂]]、无线电控制设备厂和北京天文馆联合研制大型国产天象仪。1976年12月22日，中华人民共和国唯一一台国产大型天象仪在北京天文馆取代了蔡司天象仪投入使用，一直服役到2006年底北京天文馆老馆改造。
2001年，北京天文馆新馆在老馆南侧开工建设。该工程是北京市60项重要工程之一。2004年12月12日，北京天文馆新馆落成并正式对外开放 <ref>[http://tech.sina.com.cn/roll/2004-12-12/0613474850.shtml 北京新天文馆今日开馆 设备堪称世界顶级]，新浪网，2004-12-12</ref> 。自此北京天文馆由新馆、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[[中国建筑设计研究院|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。
2013年，[[国家文物局]]发布消息称，北京天文馆、[[抗美援朝纪念馆]]、[[中国海军博物馆]]、[[厦门华侨博物院]]因在评估中未达标，取消其国家一级博物馆称号，调整为[[国家]]二级博物馆。这是自2008年施行博物馆年度评估制度后第一次出现降级博物馆。2017年，北京天文馆被评为第三批国家一级[[博物馆]]。2017年5月18日国际博物馆日，第三批国家一级博物馆共34家在作为国际博物馆日中国主会场的首都博物馆接受授牌。