2016年7月7日，初步设计方案及概算获得批复；11月8日，建筑破土动工，由上海科技馆承担建设主体、中科院上海天文台提供专业技术支撑。同期，面向社会征集天文藏品。

2017年12月，上海天文馆展示工程整体规划设计启动，由上海飞来飞去展览设计工程有限公司（Xenario飞来飞去）负责整馆展示规划总设计，飞苹果（Alexander Brandt）担任展示规划主创设计师。

2018年5月，主体建筑和附属建筑的土建工程封顶；6月，大悬挑结构整体卸载，所有主体钢结构工程顺利收尾。

2019年9月，上海天文馆项目建筑工程通过竣工综合验收，同期进入展示工程的深化设计与装饰施工。

2021年3月，展示工程基本建成，进入调试阶段；6月，整体通过验收；7月17日，上海天文馆正式开馆，并于次日对社会公众开放。

2022年7月6日，上海市《关于推动向新城导入功能的实施方案》发布，25项重大功能性事项导入新城，其中包括上海科技馆分馆。

上海天文馆位于上海市浦东新区南汇新城镇临港大道和环湖北三路交界处，东南紧临春涟河，占地面积58603平方米，建筑面积37741平方米。主体建筑地上三层、地下一层，以倒穹顶、球幕影院、圆洞天窗三个圆形元素构成的“三体”结构组成建筑的主要部件，高度约23.95米，地上建筑面积22923平方米，地下建筑面积12446平方米。另有青少年观测基地、厨房餐厅、望舒天文台、羲和太阳塔等附属建筑。

主体建筑中庭顶端为巨大的倒置玻璃张拉结构的倒穹顶，由直径约45米的倒覆的铝合金球形网壳结构托起，引导日光透过穹顶的天窗洒向中庭。倒穹顶底部悬吊着用于显示地球自转的科学装置傅科摆，720度长螺旋形坡道环绕在四周盘旋上升。

倒穹顶上部屋顶设有一个观星平台，可同时容纳40人进行观测。顶部碗型设计的高差重新创造出一个地平线，消除周围建筑物对观测的干扰。

上海天文馆的球幕影院内径23米、外径30米，球体建筑有一半悬浮于地面之上，依靠球体侧面的6个支撑点与下方的混凝土壳体相连。球体与壳体之间，形成一道圆环，日光可以从圆环处洒向室内，在室内的地面上形成“日蚀”。球体内部配有8K分辨率球幕投影系统、高级激光表演系统和舞台表演系统，用于播放各类影片。

圆洞天窗位于天文馆主入口的上方，即主展览的二层展厅，其采用悬挑结构，悬挑距离超过40米、跨度超过60米，以两侧钢骨剪力墙受力支撑，配有10个1吨的质量调谐阻尼器消除悬挑端部的振动感。圆洞的倾斜角度与太阳的高度角相对应，穿过“圆洞”的日光在下方形成光斑，随着时光流逝在广场和倒影池中移动，配合特殊的地面铺装形成简易的日晷。

望舒天文台共分三层：一层为展厅，二层为望远镜控制室，三层是观测圆顶，其中安置有中国最大口径的科普光学望远镜——“双焦点可切换一米望远镜”（DOT），用于观测月亮、行星及其他夜空中的天体。

羲和太阳塔的塔体共三层，地下一层装有光谱仪系统；一层展厅向公众开放，核心筒观测区域配备自适应光学系统的高级太阳成像演示系统，以展现高清晰度的太阳黑子、日珥、耀斑等影像。顶层为天文圆顶室，其中装置有直径60厘米的自适应光学太阳望远镜和三个波段直径12厘米的全日面太阳望远镜。

上海天文馆的设计以建筑语言表现天体、轨道运动等天文学概念。场馆的设计灵感源于物理学的“三体问题”，着眼于太阳系内天体之间由引力所产生的错综复杂的运动轨迹，在建筑造型、总体布局、内部空间、参观流线的设计中，运用轨迹、球体、曲线、悬浮等手法，混凝土和钢结构采用不规则形状，结构造型多为异形、多曲面，摒弃直线或直角，以反映宇宙的几何形态和天体运动的动态能量。主体建筑由两个椭圆形相互交叠错开而成，圆洞天窗、倒转穹顶和球体作为建筑内的三个“天体”，相互之间处于动态轨道关系之中，使建筑通过太阳光影的变幻成为一台可以展示时间的天文仪器。

建筑设计还借助与城市生态的联系突出天文星系主题。天文馆外围大量采用弧线设计，主体建筑外的景观区域引入螺旋形绿化与步道，向外自然延伸，与外围的“星空之境”公园形成有机衔接，象征星系的旋臂。天文馆球体与滴水湖的比例被有意调整，映射地球与太阳的关系。

上海天文馆通过环境氛围、灯光音效和高仿真场景模拟手段，采用体感互动、数据可视化、增强现实、虚拟现实、生物识别等技术手段，融合视、听、触的感官体验，构建沉浸式宇宙空间体验环境，互动展品占比50%以上。

“家园”展区将策展重点放置于银河系内。展区内建有一个长达18米的光学天象厅模拟野外星空，穿过光学天象厅后可到达“日月地”主题区，其中设有直径6米的3D月球打印模型与显示各种太阳活动图像的巨大屏幕。各种类型的陨石也在该展区展出。

“宇宙”展区共有“时空”、“引力”、“光”、“元素”和“生命”五个主题区，从不同的视角展现宇宙的运行规律，揭示天体的演化机理。观众能够看到宇宙中神奇的引力现象，了解宇宙生命的诞生，通过各式互动展品感受宇宙奥妙。

“征程”展区从古人思考、近代天文学革命到现代天文学研究，全景式展现人类探索宇宙奥秘的漫漫征途。展区分为三个板块：第一个板块以时间线为主轴，同时辅以同期的天文展品来记载天文学的发展历程，讲述重大天文事件；第二板块为“天文数字实验室”，模拟天文学家的工作环境；第三个板块则展示了中国航天科研成就，设有嫦娥五号探测器、祝融号火星车、天和核心舱的高仿真模型展品。

“中华问天”展区以中华天文为主题，展出东方思维下的天学体系，以及有序传承、持续提升的复杂历法体系。其中，“观象授时”主题区将介绍中国古人对于宇宙的理解和哲学思维，展现中国人观天测时所使用的科学仪器和取得的成就。“西学东渐”主题区则介绍中国天文学在西学东渐的影响下从古代模式逐步走向近代天文学的历程。

“航向火星”展区是一个互动体验区，以飞往火星基地进行救援为故事背景，借助虚拟现实技术，模拟太空漫步和行星探索。展厅内，驾驶台与投影大屏幕通过游戏引擎的结合展现空间航天器交会对接，登陆舱着重展现下降到火星的过程，进入火星基地后的展项则主要介绍火星的面貌以及介绍如何在火星生存和发展。

好奇星球是为3-8岁儿童设计的展区，以虚构的小女孩与外星伙伴探索系外神秘行星的故事，带领儿童前往宇宙探险。

上海天文馆征集了约70件陨石，包括品相精良的月球陨石、火星陨石、灶神星陨石，而且以目击陨石为重要收藏目标，收藏有曼桂陨石和陨石坑，以及中国随州陨石、鄄城陨石、那曲陨石、上海长兴岛陨石，俄罗斯阿林陨石、车里雅宾斯克陨石、吉丙陨石、巴林杰陨石等。

上海天文馆征集了总数超过120件/套的文物藏品，涵盖各类天文学家的原版著作与科学仪器，包括牛顿的《自然哲学的数学原理》英文版第一版（1729年）、伽利略的第一台折射望远镜、牛顿的第一台反射望远镜高仿品，以及弗拉姆斯蒂德星图、波德星图、哥德巴赫星图等。

2016年，上海天文馆在馆舍工程建设期间同步启动社会教育功能，推出科普读物《天问》，开展面向3-8岁儿童的天文绘本故事教育活动，编撰中学生天文小实验指导图书。

2017年3月，上海天文馆举办“侬好！天文馆”系列活动，包括移动天象厅放映、“星空动物园”、“外星人DIY”和“天之文”论坛等活动；9月，举办“星空之境”原创天文主题展，呈现天文馆的阶段性策划研究成果。

2021年7月17日，上海天文馆举行开馆特别活动星空音乐会。

2020年12月18日，上海天文馆天文研究中心揭牌成立。研究中心由林清担任主任，叶叔华院士担任特聘顾问，来自中科院国家天文台、上海天文台、紫金山天文台、南京大学天文与空间学院、上海交通大学天文系等单位专家组成专家委员会，招聘组建的科研团队中博士学历4人、硕士学历2人。

2021年7月17日，上海天文馆举行天文高端国际会议。会上，上海科技馆与8家天文科研机构、6家天文教育机构签署战略合作框架协议，为上海天文馆发展提供科学支撑。

上海天文馆采用BIM技术对建筑模型及所携带的相关信息进行处理。整个设计阶段共核验处理438处技术问题，施工阶段共622处深化设计优化问题，使设计变更的减少、决策效率的提高以及造价费用减少方面提升了12%-15%，被评为上海市BIM应用试点项目、上海市重大工程立功竞赛BIM特色项目，获得“创新杯”优秀应用奖、浦东新区BIM技能竞赛二等奖、上海市BIM创新大赛最佳项目奖。项目在建设过程中攻克多项空间结构技术难题，获得16项授权发明专利、18项实用新型专利、7项软件著作权。

2019年，上海天文馆展示工程总承包及系列展品展项获得中国政府采购奖——精品项目奖。

2022年，上海天文馆入选2021年度最令人印象深刻的十大中国建筑。

2022年11月15日，国际游乐园和景点协会IAAPA博览会上，国际主题娱乐协会TEA（Themed Entertainment Association）宣布了第29届Thea“杰出成就奖”获奖名单，上海天文馆（上海科技馆分馆）成为全球13个获得Thea“杰出成就奖”的项目之一，也是国内首个获得该奖项的博物馆/科技馆。

2023年12月，上海天文馆荣获2023年AIA美国建筑师协会纽约州分会年度卓越建筑大奖。

上海天文馆建成开放，标志着上海科技馆迈入集科技馆、自然博物馆、天文馆“三馆合一”的超大型综合性科学技术博物馆集群发展新阶段，进一步彰显上海城市软实力，推进新时代博物馆事业高质量发展。

每天9:30-16:00（15:00停止检票入馆），周一闭馆

公交车：乘坐上海公交申港1路、1009路、1135路、1043路、1096路、申港3路等（距离上海天文馆步行约5分钟）

地铁：上海地铁16号线滴水湖站4号口、3号口（距离上海天文馆步行约10分钟）

线路一：中环—华夏高速—两港公路—临港大道

线路二：外环—沪芦高速—申港大道—临港大道