В мире Московский планетарий стал тринадцатым по счету. Десять планетариев находились в Германии, а за ее пределами – всего два. В день открытия планетария в Москве 5 ноября 1929 года в нем была проведена первая лекция с демонстрацией искусственного звездного неба. В прессе появились восторженные отклики, а В.Маяковский отозвался на событие стихотворением «Пролетарка, пролетарий, заходите в планетарий ...».
В самом начале работы планетария в нем читались всего три лекции по астрономии: «Был ли сотворен мир в шесть дней?», «Земля – шар», «Строение Вселенной». В первый год существования учреждения небольшим коллективом лекторов-изобретателей был создан прибор Восходящее Солнце, который работал вплоть до закрытия планетария в 1994 году.
В 1930-е годы в Московском планетарии работал «Стратосферный комитет», сотрудники которого вели изучение верхних слоев атмосферы и занимались проблемами реактивного движения. Перед Великой Отечественной войной в планетарии существовал и специальный звездный театр, поставивший три пьесы: «Галилей», «Джордано Бруно» и «Коперник».
С началом войны в планетарии проводились специальные лекции военного цикла для разведчиков и военных летчиков. Помимо лекций, в годы войны проводились и выездные лекции по астрономии.
В начале 1960-х годов в Звездном зале Московского планетария проводилась подготовка первых космонавтов по астронавигации, причем лекторам, обучавшим будущих космонавтов, сообщалось, что они готовят летчиков полярной авиации.
В 1977 году планетарий был реконструирован. Вместо старого аппарата был установлен аппарат нового поколения с программным управлением фирмы Карла Цейса. В 1990 году при планетарии была открыта народная обсерватория, в которой поместили самый большой телескоп в Москве, доступный для массовых наблюдений.
В 1994 году здание планетария было признано аварийным и планетарий был закрыт на реконструкцию, которая началась лишь в 2002 году. В 2008 планетарий не раз становился объектом судебных разбирательств, вокруг него велись споры хозяйствующих субъектов.
12 июня 2011 года после 15-летней реконструкции столичный планетарий вновь начал свою работу. Его открытие было приурочено к Дню России.
Здание Московского планетария включает несколько уровней. На самом нижнем, подземном, находятся малый звёздный зал (предназначенный для показа детям звёзного неба в миниатюре), 4D-кинотеатр, интерактивный музей «Лунариум» (экспозиции по астрономии и физике). Выше, на первом уровне, тоже располагается экспозиция музея «Лунариум» (зал, посвящённый истории постижения космоса), а также залы музея Урании, в котором посетители могут ознакомиться с историей московского планетария. На втором уровне — большая (с самым большим телескопом Москвы, доступным для широкой публики) и малая обсерватории, астрономическая площадка «Парк неба» с коллекцией работающих под открытым небом астрономических приборов, зал музея Урании с коллекцией метеоритов. На последнем, третьем уровне, непосредственно под куполом — большой звёздный зал, проектор которого позволяет увидеть свыше 9 тысяч небесных тел и их перемещения по небу с течением времени.