西元1938年「臺灣日日新報社」為紀念創立40周年，因此將其建在公會堂屋頂上的4吋折射式赤道儀望遠鏡及圓頂觀測台，捐獻給臺北市役所。民國34年（西元1945年）公會堂為巿政府接收，就更名為中山堂，這就是臺北市立天文科學教育館的最早前身。之後，人類文化躍入太空時代，社會對天文知識之需求甚切，因為中山堂附近夜間光害嚴重，不適合觀測工作，於是經過規劃，決定將天文台設於圓山風景區內，於民國52年（西元1963年）啟用，並於民國67年（西元1978年）興建天象館。之後，由於臺北市人囗急速增加，原有的天文台規模太小，不敷使用。於是又開始籌備現在位於基河路的天文館。
天文科學教育館使天文教育從深奧難懂的紙上談兵轉化為平易近人的生活知識，藉由展示、視聽解說及觀測，用不同角度讓民眾能身歷其境，充分達到天文科學教育成果，奠定國人科學基礎知識。同時，也讓每位民眾皆能享受宇宙的奧秘。
宇宙劇場又稱為全天域電影，讓人有身歷其境的感覺，可以使用360度全天域的方式欣賞大自然的美景或是學習最新的科學知識。立體劇場則是利用美國艾渥克斯（IWERKS）公司大型特殊影片的雙併式立體電影機，配合精心規劃的寬大銀幕，一共有208位階梯式座椅，只要戴上立體眼鏡，即可感受到三度空間的臨場感，非常真實。天文圖書室中，收藏了國內外天文科學相關的書籍、雜誌及資料，是天文愛好者的天文知識寶庫。