博物馆位于西安市长安南路88号舟形岛上,电视塔的南北两侧。全馆占地面积90亩,建筑面积1.6万平方米,整体建筑以电视塔为对称点,包括科技和自然两大展馆,两展馆建筑分别呈玻璃球形和月牙形,犹如“日”和“月”,蕴含“日月同辉”之高远寓意。玻璃体球形建筑为科技展馆,建筑面积7165平方米,设有科技环廓、声光隧道、穹幕影院、观景平台等设施和科技展项;半月形下沉式建筑为自然展馆,建筑面积8940平方米,设有地质万象、古生物长廊、神奇的秦岭、昆虫王国、生命之光等主题展厅。此外,这里有西北地区目前唯一的大型穹幕影院,球形外径22米,半球形银幕直径18米,银幕倾斜30度,设有183个观众座位。博物馆还附带有观景平台,游客可以坐下来慢慢欣赏四周的风景,电视塔、和谐广场、曲江会展中心……四周的建筑尽收眼底,如果与朋友坐在这里聊天,也是非常不错的享受。