В мире Московский планетарий стал тринадцатым по счёту. Десять планетариев находились в Германии, а за её пределами — всего два. В день открытия планетария в Москве 5 ноября 1929 года в нём 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 нём 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 лётчиков. 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, причём лекторам, обучавшим будущих космонавтов, сообщалось, что они готовят лётчиков 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 многолетней 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 звездного 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.
