Weil die Beobachtung des Himmels am Anfang seiner Erforschung steht, sind in der Ausstellung zahlreiche historische Mess- und Beobachtungsinstrumente sowie ein Modell des Observatoriums von Tycho Brahe zu sehen, das dieser noch vor der Erfindung des Teleskops hatte errichten lassen.

Breiten Raum nimmt die Beschreibung und Erklärung der unterschiedlichsten Himmelsobjekte ein, von den Planeten des Sonnensystems über die Sterne der Milchstraße bis hin zu den Galaxien des Universums. Erläutert werden auch grundlegende Messmethoden wie etwa die Entfernungsbestimmung von Sternen oder die spektroskopische Analyse des Sternlichts, die zahlreiche wichtige Informationen der untersuchten Objekte offenbart.

Abgerundet wird das Ganze durch ein Planetarium, in dem der Nachthimmel über München präsentiert werden kann, und den Sonnenuhrengarten auf dem Dach, der fast zwei Dutzend Sonnenuhren verschiedener Bauarten versammelt. Hinzu kommen eine astronomische Kunstuhr sowie eine große Vertikal-Sonnenuhr an den Außenfassaden sowie eine Horizontalsonnenuhr im Innenhof des Museums.

Dort beginnt zudem ein Planetenweg, der die Dimensionen des Sonnensystems erfahrbar macht – von der Sonne im Innenhof bis zu Pluto am Tierpark Hellabrunn.