上海天文馆包含展区、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系列建筑。圆洞天窗、倒转穹顶和天象厅球体，反映出宇宙的几何形态。建筑采用弧线设计，弯曲的外观、狭长的形态，中庭中心、入口天窗，以及天象厅的行星状球体，均象征了宇宙和天体运行的曲线之美。整个圆洞天窗好似一个日晷，无时无刻不在捕捉光影，记录时间。天象厅球体是球幕影院，球体建筑有一半悬浮于地面。