Идея 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 (1927—1929) 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.
Московский планетарий был открыт 5 ноября 1929 года. В тот год Владимир Маяковский написал стихотворение о планетарии. Он стал 13-м планетарием в мире — из двенадцати его предшественников десять были построены в Германии, один в Италии и один в Австрии.
Планетарий на карте Москвы 1939 года:
Открытие планетария в Москве усилило интерес к пропаганде астрономических знаний в клубах. В 1947 году при планетарии впервые в СССР была открыта астрономическая площадка, которая теперь называется «Парк неба».
В 1950-х годах со стороны Садовой-Кудринской улицы вид на планетарий закрыли жилые многоэтажки (в настоящее время купол планетария можно увидеть лишь в довольно 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 числе воспитанников астрономического кружка при планетарии — известные астрономы: Н. Кардашев, Ю. Ефремов, В. Курт, А. Гурштейн, И. Новиков, А. Шаров, П. Щеглов.
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.
С 1989 года действовал Фантастический театр, труппа которого поставила несколько спектаклей по произведениям знаменитых писателей-фантастов.
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 Московский планетарий перестал оказывать услуги населению. Вскоре начался период тяжб о проекте реконструкции Планетария и его собственниках. В конце концов 12 июня 2011 года состоялось открытие отреставрированного планетария.