В 1928 году Московский совет, признав необходимость воспитания и просвещения трудящихся, принял решение о создании в Москве планетария как центра пропаганды науки о Вселенной. Уникальное здание было построено по проекту архитекторов Михаила Барща и Михаила Синявского. Планетарий является памятником архитектуры эпохи конструктивизма.
Первый камень был заложен в день осеннего равноденствия 23 сентября 1928 года, и всего через год с небольшим, 5 ноября 1929 года, состоялось его торжественное открытие. В день открытия была проведена первая лекция с демонстрацией искусственного звездного неба. Первым лектором стал директор планетария Константин Шистовский.
Московский планетарий стал одним из самых крупных в мире: диаметр его купола составляет 27 метров. Московский Планетарий стал тринадцатым планетарием во всем мире – до этого десять уже было открыто в Германии, один – в Австрии, и один – в Италии.
В первый год существования учреждения небольшим коллективом лекторов-изобретателей был создан прибор Восходящее Солнце, который работал вплоть до закрытия планетария в 1994 году. В самом начале работы планетария в нем читались всего три лекции по астрономии: «Был ли сотворен мир в шесть дней?», «Земля – шар», «Строение Вселенной». Основное направление деятельности планетария – проведение общедоступных лекций и научно‑художественных программ по астрономии и космонавтике, формирование научного мировоззрения на основе обобщения достижений современного естествознания.
В 1930‑е годы в Московском планетарии работал «Стратосферный комитет», сотрудники которого вели изучение верхних слоев атмосферы и занимались проблемами реактивного движения. С 1934 года в планетарии работали астрономические кружки, в летнее время ‑ астрономические площадка и обсерватория.
Во время Великой Отечественной войны в планетарии читался специальный курс «Астрономия для разведчиков», и умение ориентироваться с помощью небесных светил спасло немало жизней.
Немалую лепту Московский планетарий внес в развитие отечественной космонавтики. Именно здесь, начиная с 1960 года и до 1975, проводились занятия по астронавигации с первыми космонавтами. Летчик-космонавт А.А. Леонов сказал: «Путь на Байконур начинался здесь, в Московском планетарии».
В 1977 году планетарий был реконструирован. Вместо старого аппарата планетария был установлен новый, изготовленный специально для Москвы на народном предприятии Карл Цейсс Йена ГДР. Это был аппарат нового поколения с программным управлением. Наряду с обычными лекциями и тематическими вечерами в планетарии стали проводиться автоматизированные аудио‑визуальные программы.
В планетарии работала труппа Звездного театра. Были поставлены пьесы: «Галилей», «Джордано Бруно» и «Коперник». В 1990‑е годы в планетарии действовал Фантастический театр, актеры которого представили на суд зрителей несколько спектаклей по произведениям знаменитых писателей‑фантастов.
В 1994 году Планетарий был закрыт на капитальный ремонт. Но скоро стало очевидно, что необходимо и полное переоборудование. Старт проекта состоялся только в 2002 году. Был осуществлен подъем исторического здания на 6 метров. Но вскоре строительные работы были вновь прекращены.
12 июня 2011 года после 15-летней реконструкции столичный планетарий вновь начал свою работу. Его открытие было приурочено к Дню России.
Площадь планетария после реконструкции увеличилась с 3 до 17 тысяч квадратных метров.
Помимо Большого звездного зала, в котором установлен оптический проектор звездного неба, после реконструкции в планетарии появились новые зоны. Среди них астрономическая площадка «Парк неба», расположенная на кровле планетария, две обсерватории и 4D-кинотеатр.
Кроме того, в планетарии открылись два музея — интерактивный музей «Лунариум» и музей Урании. Музей «Лунариум» состоит из двух разделов – «Астрономия и физика» и «Постижение космоса». В экспозиции представлено более восьмидесяти экспонатов, которые в игровой форме наглядно демонстрируют различные физические законы и явления природы. В экспозиции музея Урании – материалы об истории планетария, коллекция метеоритных камней, а также астрономические инструменты и рельефные глобусы некоторых планет Солнечной системы.
Теперь это крупнейший в стране центр популяризации естественно-научных знаний, отвечающий запросам XXI века, как по степени оснащенности, так и по разнообразию образовательных и культурных программ.