上海天文馆选址位于浦东新区临港新城临港大道与环湖北三路口，距离轨道交通16号线滴水湖站约700米，总用地面积58602平方米，总建筑面积38164平方米，包括一幢主体建筑，魔力太阳塔、青少年观测基地、大众天文台、餐厅等附属建筑，土建投资约5.28亿元人民币。建成后的上海天文馆将成为全球建筑面积最大的天文馆。上海天文馆由上海科技馆承担建设主体、中科院上海天文台提供专业技术支撑，项目于2014年1月29日由上海市发改委立项，预计2019年竣工并于2020年开放。
目前，中国大陆地区只有北京天文馆这一座大型天文馆（全球范围内大大小小的天文馆不下4000座，而我国大陆地区能称得上“天文馆”的只有3座，其中只有北京天文馆属于综合性的天文馆，建于1955年，曾是亚洲第一座大型天文馆）。叶叔华院士在2010年向上海市领导表示21世纪深空探测将成为各国科技竞赛场，我国也在其中进行了卓有成效的探索，兴建天文馆，对广大市民进行天文科学知识普及推广，补充青少年天文科学方面的非正规教育至关重要。
上海天文馆建筑方案由美国意艾德建筑事务所和上海现代建筑设计院组成的联合体设计。设计体现了“天体”及“轨道运动”的概念。主体建筑三个明显的圆形构成“三体”结构；椭圆形的建筑形态构成天体运行轨道，与三个天体一同诠释了天体运行的基本规律，暗示着“万有引力”这一塑造宇宙今日之面貌的神奇自然力。主建筑外的景观区域设计了4条非同心圆的步道，从主建筑向外自然延伸出去，象征星系的旋臂。主体建筑暗藏玄机，“圆洞天窗”、“倒置穹顶”、“球幕光环”等特色设计令建筑本身成为一台天文仪器。天文馆工程建设中将采用全生命周期BIM示范应用、雨水回收利用及生态净化处理、太阳能可再生能源利用、导光管系统、地源热泵等技术，建设一座节能、智慧、生态建筑。