兒童博物館建築面積4500平方米，由航天館、航海館、球幕電影廳、綜合樓四個建築單體組成。采用全方位、開放式格局，在觀賞的同時可以動手操作。
航天館外觀呈金字塔形，飾以玻璃幕墻，內部分為三層，第壹層“登天雲梯”，以展示國內外各式火箭為主，展廳壹角是壹套全國最先進的西昌衛星發射中心發射長征二號的模擬演示系統，由動態模型、計算機多媒體設計的動畫相銜接，尤似身臨其境。另外還有按比例縮小的世界各國火箭群、長征四號火箭發動機艙段實物等展品。第二層“群星爭輝”，以展示衛星等航天器為主，使青少年在動手動腦中增長航天知識，親身體驗太空的風險和奧秘。其中有能言善畫的太空機器人、滿腹經綸的航天科技“博士”和妙不可言的宇航員訓練器等項目；還有當代先進國家的壹些航天器模型、氣象衛星實時接收演示系統，展示了人類征服太空領域所取得的成就。第三層，“空間探索”，主要展示月球車、星際通訊站等其他太空珍品。航天館“高、精、尖”的特點與“小、巧、靈”的玩具館形成了鮮明的對照。
玩具館的展室分古代、現代和手工制作室三部分。古代展室，從最古老的仰韶文化出土的石球、陶球到20世紀20～30年代北京胡同孩子的寶物空竹；現代展室裏幾個大型活動展臺陳列著各種現代化玩具，中心展臺上汽車在高速飛奔、地鐵在疾行，展示出國際都市景象。半透明的玩具展示了手工玩具內部的構造原理。手工制作室裏小朋友可以自己動手做模型。