El Planetario de Lima cuenta con dos niveles. En el primero, se encuentra un museo de sitio donde se exhiben cuadros relacionados con la astronomía y la astronáutica, así como diversos dioramas.

Entre sus piezas destacadas, se presentan antiguos instrumentos astronómicos del siglo XIX, incluyendo el telescopio del escritor Ricardo Palma, junto con modernos dispositivos que permiten al público comparar diferentes sistemas.

Además, el museo alberga una colección de piezas arqueológicas de la cultura Ichma, halladas en la zona, y una pequeña muestra de pertrechos militares de la Guerra del Pacífico encontrados en el Morro, que sirven como antesala al gran ambiente del Observatorio, donde se está instalando el muestrario principal.

También se exhibe una colección de fósiles del Cretácico Inferior provenientes de la región y una variada muestra de aerolitos, incluyendo sideritos, octaedritos y breccias, que impactaron la Tierra.