Идею построить в Москве Планетарий принадлежит Давиду Рязанову — директору Института К. Маркса и Ф Энгельса при ЦИК СССР и Главнауке Наркомпроса РСФСР. По их инициативе президиум нового состава Моссовета (избранного в 1927 году) постановил создать в Москве научно-просветительное учреждение нового типа — Планетарий. Оборудование, необходимое для этого (проекционный аппарат «Планетарий»), было на тот момент новейшим мировым изобретением — впервые продемонстрировано в октябре 1923 года.
После этого Рязанов выехал в Германию и провёл переговоры с компанией Carl Zeiss об изготовлении оборудования для планетария. А в Москве два молодых архитектора М. Барщ и М. Синявский взялись за разработку проекта планетария. При проектировании архитекторы использовали природную форму яйца в геометрически-тектоническом плане. Теоретик конструктивизма Алексей Ган называл Планетарий «оптическим научным театром». Строительство планетария началось в день осеннего равноденствия 23 сентября 1928 года. На строительство планетария Моссоветом было отпущено 250 000 золотых рублей. В эту сумму входила стоимость постройки не только самого здания, но и его оборудования, кино-аудитории, астрономического музея, библиотеки, аудиторий для кружков, лабораторных помещений, а также устройства на плоской крыше астрономической обсерватории для массового обслуживания экскурсий.
В середине февраля 1929 года в Москву прибыли специалисты из Германии для установки железного каркаса — сферического купола — экрана. Аппарат «Планетарий» в это время был уже в Москве и хранился в запакованных ящиках в помещении Московского отдела народного образования.
В конце мая, когда зрительный зал был готов, начался монтаж аппарата «Планетарий» под контролем специалистов из фирмы Цейсса.
3 августа 1929 года установка аппарата была полностью завершена. На этот день и была назначена приемка и показ работы планетария руководству Моссовета. Показ вполне удовлетворил присутствующих, приемка аппаратуры была закончена.
В течение августа, сентября и октября происходили закрытые просмотры.
Официально московский Планетарий был открыт 5 ноября 1929 года. Он стал 13-м планетарием в мире — из двенадцати его предшественников десять были построены в Германии, один в Италии и один в Австрии. К этому дню Владимир Маяковский написал стихотворение о планетарии, заканчивавшееся словами: «Должен каждый пролетарий посмотреть на Планетарий».
Во время войны в Московский Планетарий помимо проведения обычных массовых лекций оказывал практическую помощь бойцам и командирам Советской армии в виде специальных лекций военного цикла для разведчиков и военных летчиков. Кроме лекций, проводившихся в Звездном зале, организовывались выездные лекции по астрономии. Эти лекции читались в госпиталях, подшефных воинских частях, в аудиториях Городского военного комиссариата, в агитпунктах противовоздушной обороны. Московский Планетарий работал всю войну и лишь однажды был закрыт сроком на два месяца.
В 1946 году началось строительство Астрономической площадки. Впервые в истории планетариев этот комплекс инструментов познания, обращенный к живым светилам, был задуман автором первого советского школьного учебника астрономии Михаилом Евгеньевичем Набоковым. А построен как общедоступный город неба, трудами московских астрономов и сотрудников Планетария К. Л. Баевым, Р. И. Цветовым, А. Б. Поляковым, Е. З. Гиндиным. Астрономическая площадка воссоздавала традицию древних звездных обителей, таких как храмовый комплекс в Гелиополе, Стоунхендж в Англии, Обсерватория-музеум в Александрии, Нюрнбергский городок Региомонтана, Ураниенборг Тихо Браге, Пекинская обсерватория, Гданьская обсерватория Яна Гевелия, небесный комплекс Самрат Янтра в Джайпуре.
В 1950-х годах со стороны Садовой-Кудринской улицы вид на Планетарий закрыли жилые многоэтажки, и в настоящее время купол планетария можно увидеть лишь в узкий проход между домами.
В 1977 году Планетарий был реконструирован. Вместо старого аппарата «Планетарий» был установлен новый, изготовленный специально для Москвы на народном предприятии «Карл Цейс 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 середине 1980-х Планетарий вывели из непосредственного подчинения Всесоюзному обществу «Знание» и передали Московской городской организации этого общества, из недр которой был назначен новый директор. Впервые им стал человек без астрономического образования.
На 1987 год в планетарии прошли подготовку по навигации все советские космонавты, некоторые после возвращения из космоса выступали в нем с лекциями.
В 1990 году при планетарии была открыта народная обсерватория, в которой был установлен самый большой телескоп в Москве, доступный для массовых наблюдений.
В 1994 году предприниматель и шоумен Игорь Микитасов решил создать на базе Московского планетария «научно-развлекательный центр» и обратился с этим предложением к директору планетария. В том же году по инициативе директора планетария с целью привлечения инвесторов и обеспечения гарантий на вложенные средства, было создано АОЗТ «Московский Планетарий», в уставной капитал которого было внесено основное здание планетария. Учредителями АОЗТ стали на 30 % коллектив планетария, на 20 % — Московская городская организация общества «Знание» и на 50 % — АОЗТ «Компания Твинз» («Twins»), фирма Микитасова, специализировавшаяся в сфере шоу-бизнеса.
По сути дела «Компания Твинз» стала хозяином планетария. В том же 1994 году здание планетария было признано аварийным и Планетарий был закрыт на реконструкцию. однако как только началась реконструкция. выяснилось. ч о денег у Микитасова на не не хватает. 
Весной 1995 года Микитасов стал искать источник финансировния. Он пытался через посредника, директора фирмы «Техноком» Вячеслава Ковалева, получить кредит в Тверьуниверсалбанке и оформить документы в Москомимуществе и Москомземе. Банк, однако, отказался выдавать кредит, а оформление документов в московском правительстве приостановилось. Между посредником и Микитасовым возник конфликт, вылившийся в уголовное дело, которым занималась Генпрокуратура.
Финансирование было приостановлено в связи с введением нового порядка регистрации собственности в Москве, требующего обязательной выдачи свидетельства на право собственности. В результате четырёхлетнего противостояния между ЗАО «Московский Планетарий», правительством Москвы, прокуратурой и Москомимуществом на 18 заседаниях Арбитражного суда были последовательно рассмотрены пять исков, не принесших победу ни одной из сторон.
Всё это время вплоть до августа 1997 года в полуразрушенном Звёздном зале проводились программы для школьников. 1 мая 1998 года для посетителей была открыта обсерватория.
Новые владельцы в течение нескольких лет пытались организовать реконструкцию планетария на средства частных инвесторов, однако городские власти откладывали выход соответствующего постановления. В 1998 году собственники подарили правительству Москвы 61 % акций в обмен на обязательства полностью оплатить все проектные и строительно-монтажные работы. 1 октября 1998 года правительство Москвы получило контрольный пакет акций ЗАО «Московский Планетарий», а в марте 1999 года оно издало постановление «О комплексной реконструкции, реставрации и переоборудовании Московского планетария», согласно которому осуществлялась комплексная реконструкция, реставрация и переоборудование памятника архитектуры здания Московского планетария, а в инвестиционных программах 1999—2006 годов предусматривалось финансирование работ по реконструкции Московского планетария за счет средств, определенных бизнес-планом.
В 1997 году творческая мастерская ГУП МНИИП «Моспроект-4» под руководством Александра Викторовича Анисимова и Ольги Сергеевны Семёновой приступила к разработке проекта реконструкции. Почти три года ушло на его утверждение и предварительные работы: требовалось немало усилий, чтобы обосновать преимущества именно реконструкции старого планетария, а не строительства нового. Была изучена история Московского планетария и мировой опыт проектирования подобных зданий, написано четыре научных работы о зарубежных технологиях, о типологии современного планетария и изучении его архитектурного облика за рубежом. Архитекторы лично посетили большое количество планетариев в разных странах: в Германии, Испании, Франции, Англии, на Западном и Восточном побережье Америки и т. д.
Проект реконструкции Московского планетария, разработанный архитекторами Александром Анисимовым и Ольгой Семёновой, получил в 2000 году премию и диплом I степени Союза архитекторов России.
Сама реконструкция началась лишь в 2002 году. В январе 2003 года сняли на реставрацию статуи-аллегории планет перед главным входом. К 2003 году было разобрано старое здание обсерватории.Вместо него было запланировано построить две обсерватории, малую и большую. Городские власти торжественно обещали открыть Планетарий к его 75-летию. Однако оно было отмечено узким кругом людей, связанных с планетарием, в ноябре 2004 года в строящемся здании. К этому времени здание планетария согласно проекту реконструкции уже было поднято на 6 метров, возведены две новые башни обсерваторий; площадь музея увеличилась с 3 до 17 тыс. м². За прошедшие годы АОЗТ «Московский Планетарий» было последовательно преобразовано в ЗАО «Московский Планетарий» и ОАО «Московский Планетарий». Однако сотрудничество городских властей и частных инвесторов не заладилось, и реализация проекта затянулась.
В 2006 году частные инвесторы обратились к городу с просьбой вернуть вложенные ими средства и тем самым выкупить их долю. В 2006 году, когда Москва в очередной раз прекратила финансирование и начала выдавливать частников из проекта, было достигнуто соглашение о том, что инвесторы сами отдают свой пакет 39 % в обмен на возврат вложенных средств. Юрий Лужков согласился и дал поручение готовить постановление о выкупе.
В феврале 2008 года правительство Москвы, владеющее 61 % акций ОАО «Московский Планетарий», прекратило финансирование его реконструкции из-за того, «что обязательства партнеров, которым принадлежит 39 % акций, в рамках реконструкции выполнялись не полностью». По словам заместителя руководителя департамента имущества города Москвы Игоря Игнатова, город был вынужден прекратить реконструкцию, когда «стали известны новые обстоятельства» — у Московского планетария образовалась задолженность перед подрядчиком Энергомашконсалтинг в размере 9 миллионов рублей.
11 марта прошло внеочередное собрание акционеров, на котором генеральный директор Игорь Микитасов был отстранён от своей должности и назначена новая управляющая компания со стопроцентной долей города — «Покровские ворота».
4 мая 2009 года при участии управляющей компании «Покровские ворота» состоялась сделка купли-продажи имущества ОАО «Московский Планетарий». На прошедших торгах было реализовано два лота: объект незавершенного строительства по адресу улица Садово-Кудринская, строение 1, а также все движимое имущество банкрота. Покупателем имущества стало ОАО «Планетарий» в лице исполнительного органа управляющей компании «Покровские ворота». 100 % акций ОАО «Планетарий» принадлежат департаменту имущества города Москвы. Для покупки имущественного комплекса акционер внес в уставной капитал общества дополнительные средства, предусмотренные бюджетом города на 2009 год. 29 мая первый заместитель мэра Москвы Владимир Ресин в ходе пресс-конференции сообщил о том, что столичный Планетарий начнет свою работу в 2010 году.
14 ноября 2009 года после завершения рабочего совещания в здании планетария мэр Москвы Юрий Лужков в очередной раз сообщил журналистам о скором открытии Московского планетария, на этот раз — в декабре 2010 года (ранее назывались 2001, 2004, 2005, и 2009 годы). Он добавил, что работы по открытию планетария для посетителей будут иметь две стадии. Первой стадией мэр назвал завершение строительно-монтажных работ, которые намечены на сентябрь 2010 года. Вторая стадия связана с установкой необходимого оборудования в декабре 2010 года. Проектные работы вела компания «Моспроект-4».
На закупку оборудования из бюджета города выделили 10 миллионов евро. На эти средства была приобретена полнокупольная проекционная система со стереопроектором и 14 динамическими креслами, а также 4D кинотеатр, проектор-Планетарий «Универсариум М9» фирмы Carl Zeiss Jena, на 2011 год являющийся самым мощным из выпускающихся компанией приборов для планетариев, и другие средства, с помощью которых на куполе планетария диаметром 25 метров можно наблюдать самые различные небесные явления.
Научным куратором планетария назначен МГУ.
В апреле 2010 года глава департамента городского заказа столицы Леонид Моносов сообщил о переносе открытия на начало 2011 года. В ноябре 2010 года было объявлено, что открытие состоится 12 апреля 2011 года и будет приурочено к дню космонавтики. Однако к марту 2011 здание было «технически не совсем готово», поэтому руководство перенесло открытие на 12 июня 2011, приурочив его ко Дню России. Наконец,12 июня состоялось открытие планетария.