El museo está emplazado en un solar de La Laguna, situado junto al Instituto Astrofísico de Canarias, entidad con la que mantiene una estrecha relación.

La pendiente del terreno y la previsión por parte de la planificación vigente de una plaza pública en el lugar han llevado a una solución en la que, aprovechando la diferencia de cota, se plantea la cubierta plana del edificio como espacio de uso público al aire libre. No es preciso entrar en el edificio para acceder a este espacio, enriquecido por la instalación de dos elementos del museo: el radiotelescopio y el telescopio óptico. Esta condición de uso público ha sido la primera idea generadora del proyecto. La segunda se refiere al espacio interior, concebido como un ámbito general, a modo de lonja o almacén, que permite una gran versatilidad en la disposición de los objetos a exhibir.

El acceso a nivel de base se realiza a través de un cuerpo en altura, dentro del cual se desarrolla la rampa-escalera que permite salvar el desnivel. La forma de este cuerpo viene condicionada en el interior por el ovoide que define el gran espacio de exposición. Exteriormente, se adapta a la línea retranqueada del muro de contención posterior.

Al descender, el visitante se ve acompañado por la luz exterior, que se filtra suavemente, hasta el gran espacio de la sala ovoidal. Al final del descenso se encuentra el mostrador de recepción. La taquilla se encuentra en el punto de acceso superior de la rampa. La relación de la forma oval con los muros periféricos da lugar en el interior a un rosario de recintos irregulares, separados por un conjunto de muros radiales que protagoniza la solución estructural y facilita la comprensión del espacio global.

Aprovechando la gran altura del espacio periférico, se ha creado una planta intermedia donde se alojan los servicios complementarios del museo: las oficinas, las aulas y un almacén-taller con acceso independiente. El salón de actos y el bar disfrutan de doble altura y, por tanto, son accesibles directamente desde la sala oval.

Las pocas ventanas del edificio se han resuelto de dos maneras distintas: las que facilitan la entrada de luz por la rampa-escalera se agrupan en el muro que da a la plaza elevada dentro de una franja unitaria que integra los mástiles de las banderas. Los restantes huecos se distribuyen a lo largo de las fachadas exteriores.

El revestimiento de los muros exteriores es de lajas verticales de piedra natural rojiza. Para los pavimentos exteriores se ha empleado también la piedra natural. La estructura, los muros y los forjados interiores son de hormigón visto.