中国科学技术馆是我国唯一的国家级综合性科技馆，是实施科教兴国战略和人才强国战略、提高全民科学素质的大型科普基础设施。一期工程于1988年9月22日建成开放，二期工程于2000年4月29日建成开放，新馆于2009年9月16日建成开放。
中国科学技术馆的主要教育形式为展览教育，通过科学性、知识性、趣味性相结合的展览内容和参与互动的形式，反映科学原理及技术应用，鼓励公众动手探索实践，不仅普及科学知识，而且注重培养观众的科学思想、科学方法和科学精神。
在开展展览教育的同时，中国科学技术馆还组织各种科普实践和培训实验活动，让观众通过亲身参与，加深对科学的理解和感悟，在潜移默化中提高自身科学素质。
始建于2006年5月9日的中国科学技术馆新馆位于朝阳区北辰东路5号，东临亚运居住区，西濒奥运水系，南依奥运主体育场，北望森林公园，占地4.8万平方米，建筑规模10.2万平方米，是奥林匹克公园中心区体现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念的重要组成部分。
新馆设有“科学乐园”、“华夏之光”、“探索与发现”、“科技与生活”、“挑战与未来”五大主题展厅、公共空间展示区及球幕影院、巨幕影院、动感影院、4D影院等4个特效影院，其中球幕影院兼具穹幕电影放映和天象演示两种功能。此外，新馆设有多间实验室、教室、科普报告厅及多功能厅。
新馆建筑为一体量较大的单体正方形，利用若干个积木般的块体相互咬合，使整个建筑呈现出一个巨大的“鲁班锁”，又像一个“魔方”，蕴含着“解锁”、“探秘”的寓意。
（一）筹备阶段
中国科学技术馆早在1958年就开始筹建，时称“中央科学馆”。经周恩来总理和聂荣臻副总理批准，科学馆的建设列入了建国十周年首都十大工程之一。后因资金、材料等的紧缺，为了给人民大会堂等工程让路，中央决定科学馆工程停建下马。
在1978年召开的全国科学大会上，包括茅以升和钱学森在内的一批老科学家再次向中央提出建设中国科学技术馆的倡议。在邓小平和方毅等中央领导同志的直接关怀和支持下，国家计委1979年2月21日批准了兴建中国科学技术馆，并成立了以茅以升为主任的中国科学技术馆筹建委员会负责筹建工作。
1983年，茅以升教授等著名科学家在全国人大会议上提出加速实施中国科学技术馆建设的提案，得到姚依林、万里等党和国家领导人的大力支持。7月，国家计委批准了中国科学技术馆作为国家“七五”计划的项目之一分两期建设的初步设计。1984年11月，邓小平亲笔为中国科学技术馆题写馆名，同年11月21日，中国科学技术馆一期工程破土动工，姚依林亲自为开工奠基典礼剪彩。
（二）一期工程
一期工程总建筑面积2万平方米，主要由综合业务楼、一期展厅和穹幕影厅组成，其中综合业务楼和一期展厅于1988年8月竣工，同年9月22日正式对社会开放；穹幕影厅于1993年建成竣工，1994年5月投入使用，1995年8月正式对公众开放。
1988年9月22日，中国科学技术馆举行了隆重的开馆典礼。参加典礼的有中外来宾近500人，其中包括中共中央书记处书记芮杏文、国务委员兼国家科委主任宋健、全国政协副主席方毅，全国政协副主席、中国科协主席钱学森，中国科协副主席何康、中国科协书记处书记高镇宁、曹令中、李宝恒等同志。
中国科学技术馆一期工程向社会开放后，坚持“目标建设、深化改革、三年规划、五年设想”的宏观发展战略，坚持科学中心的教育思想，深化自身业务建设，进行大胆的探索与实践，以一期展厅中 “现代科学技术基础知识”和“中国古代传统技术”两个常设展区为依托，开展大量的临时展览、科普报告、科技培训、动手园地等其他科普教育活动，为向全社会弘扬科学精神传播科学思想、倡导科学方法和普及科学知识，推进公众理解科学发挥了积极作用，在科普工作领域取得了令人瞩目的成就。
1995年8月穹幕影厅的建成开放，1996年在一期展厅原有展览内容设置的基础上增设“现代电信技术”展区，加上“英特尔电脑小博士工作室”和“动手园地”的开设，使观众呈现出逐年递增的趋势，由开馆初期年接待观众十几万人次，至后来年观众量超过40万人次。截止1999年底，中国科学技术馆馆内接待观众达434.6万人次，年接待观众量不仅在当时国内科技馆中遥遥领先，而且按展厅单位面积接待观众量计算，在当时的世界著名科技博物馆中也名列前茅。与此同时，中国科学技术馆为配合当时社会热点而开发的《克隆技术科普展览》、《新技术革命—信息技术展览》等专题展览在各地巡展，累计接待观众达140多万人次。此外，从1988年至1998年10年间，中国科学技术馆的传统对外交流项目《中国古代传统技术展览》先后赴欧洲的瑞士、英国、德国、比利时和意大利巡展，接待观众逾百万人次。
（三）二期工程
随着国民经济的迅速发展，科学技术的日新月异，中国科学技术馆一期工程无论在规模、内容、功能和形象上都逐渐显示出与国家科技馆的地位很不相称。
1995年3月，许嘉璐等45位全国人大代表和高镇宁等27位全国政协委员分别在八届全国人大第三次会议和政协八届全国委员会第三次会议上提出了《在本世纪末完成中国科学技术馆主体工程建设》的建议和提案；1996年3月，在全国人大八届四次会议和全国政协八届四次会议上，卢嘉锡、何康等114名全国人大代表提出了《把中国科学技术馆列为国家重点工程项目，落实投资，确保“九五”期间建成》的议案；张开逊等109名政协全国委员提出了《殷切期待党中央、国务院在‘九五’期间建成中国科学技术馆》的提案；陈难先等68名政协全国委员提出了《中国科学技术馆应列为‘九五’国家重点工程》的提案；同年8月15日，吴阶平、钱伟长、钱正英、朱光亚、钱学森和卢嘉锡等19位国内外知名学者联名致函江泽民主席和李鹏总理，建议早日建成中国科学技术馆。
1996年11月，国家计委批准中国科学技术馆在一期工程基础上扩建4.5万平方米的总体规划方案。根据这一方案，工程将分为二、三两期实施；二期工程完成后，三期工程将接续建设；中国科学技术馆全面建成后，总建筑面积将达到6.5万平方米，进入到世界大型科技博物馆和科学中心的行列。
经过一年多的前期筹备工作，被列为首都北京庆祝中华人民共和国成立5 0周年献礼工程的二期工程新展厅于1998年2月24日破土动工，全国人大常委会副委员长雷洁琼、卢嘉锡，政协全国委员会副主席钱正英、朱光亚等领导同志出席了开工典礼；全国人大常委会副委员长、中国科协主席周光召在典礼上讲话。
新展厅于1999年9月17日国庆前夕如期竣工，并于 2000年4月29日正式对社会开放。中共中央总书记、国家主席江泽民为中国科学技术馆二期新馆题词：“弘扬科学精神，普及科学知识，传播科学思想和科学方法”；全国人大常委会副委员长、中国科协主席周光召，政协全国委员会副主席朱光亚以及北京市委书记贾庆林和北京市长刘淇等领导同志出席了开馆典礼并剪彩。开馆当天，中共中央政治局委员、国务院副总理温家宝也专程来到中国科学技术馆表示祝贺，并在中国科协周光召主席和张玉台副主席的陪同下视察了新展厅。
建筑面积达2.3万平方米的二期工程新展厅共有五层，一至三层展示现代科学技术，四层为中国古代科技成就展区，五层为临时展区，用于展出短期专题展览。
二期工程新展厅的建成并对外开放，使我馆的科普工作跃上了一个新台阶。新展厅开馆之后，恰逢我国第一个“五一节黄金周”长假，更是使新展厅的火爆达到了高潮，从4月29日新展厅正式开馆到5月7日“黄金周”结束仅仅9天的时间，全馆共接待观众15万人次，其中新展厅近13万人次，穹幕影厅2万多人次，实为中国科学技术馆1988年建馆以来空前的盛况。更为难能可贵的是，开馆以来，中国科学技术馆一直保持人气长盛不衰，实现了可持续发展。
随着二期新展厅投入使用并发挥起主展厅的作用，原来一期工程展厅用于举办各类专题展览，2001年，中国科学技术馆投入巨资，将一期展厅的二、三层改建为专门以3-10岁儿童为对象的“儿童科学乐园”，让孩子们手脑并动，寓学于乐，在无拘无束的玩耍和好奇的探索中领略并学习到最基本的科技知识和技能，同时激发想象力，开发脑潜能，培养对科学的兴趣。
（四）新馆工程
二期工程新展厅对公众开放之后，我馆即依据国家计委批准的总体规划方案积极投入到三期工程的筹备工作中，组织有关部门起草了《中国科学技术馆三期工程项目建议书》，为三期工程的接续建设进行认真的筹划。2001年10月，中国科协与北京市计委对三期工程的三个可供选择方案之利弊进行了反复比较，最后一致认为异地新建为最佳方案。
2002年6月12日，中共中央政治局委员、北京市委书记贾庆林，北京市市长刘淇等与全国人大常委会副委员长、中国科协主席周光召，中国科协副主席、党组书记、书记处第一书记张玉台，中国科协副主席、书记处书记徐善衍等就中国科学技术馆三期工程建设进行会谈后商定：采纳异地新建方案，在奥林匹克公园内建设中国科学技术馆新馆，建设规模12万平方米，基建投资12亿元，由国家和北京市按1：1比例出资。这一安排最终得到了国家计委的认可和同意，“中国科学技术馆三期工程”遂改称“中国科学技术馆新馆建设工程”。
2005年4月1日，国家发展改革委给中国科协和北京市发展改革委下达了《国家发展改革委关于中国科学技术馆新馆项目建议书的批复》。至此，中国科学技术馆新馆项目建设在国家正式立项。国家发展改革委在批复中同意在国家奥林匹克公园内建设中国科学技术馆新馆。新馆总建筑面积10.2万平方米，项目总投资10.9亿元，建设期2年。新馆建设地点位于国家奥林匹克公园东北侧（B01地块），规划占地面积4.83公顷。中国科学技术馆新馆的建设目标是建成主题突出、功能完善的现代化、综合性国家级科技馆。
2006年5月9日，中国科学技术馆新馆举行奠基典礼。中央政治局委员、全国人大副委员长王兆国，中央政治局委员、北京市委书记刘淇，全国人大常委会副委员长韩启德，国务委员陈至立，中国科协主席周光召，北京市委副书记、市长王岐山，中国科协副主席、党组书记、书记处第一书记邓楠等领导出席了奠基典礼。
2009年9月16日，中国科学技术馆新馆正式建成开放。
新馆建设是中国科学技术馆发展历程中的又一个里程碑，也是中国科普事业中的一件大事，对增强我国科普能力建设，提高公民科学素质，贯彻落实国家科教兴国、人才强国战略，宣传科学发展观，构建社会主义和谐社会都将起到积极的作用。同时，建成开放的中国科学技术馆新馆也会对国内科技馆的建设起到示范和辐射的作用。
