上海科技館分為11個風格各異的主題展區、4個高科技特種影院、3個古今中外科學家及其足跡的藝術長廊、2個主題特展和若干個臨時展廳。上海科技館建筑由地下一層、地面四層，附帶一個辦公群樓組成。

地下一層

該層主要設有兩個IMAX科學影院（IMAX三維巨幕影院和球幕影院）、張江創新成果展、快餐廳。地下一層是該館服務設施最集中的公共區域，內有售票大廳、大食代美食天地、休閑長廊和臨展大廳。

地面一層

地面一層是上海科技館一期工程的主要展區，內有生物萬象、地殼探秘、兒童科技園、視聽樂園、設計師搖籃五個展區和一個四維動感影院，此外還有APEC主會場、休閑大廳、咖啡休閑吧等服務設施。

地面二層

地面二層是科技館二期展館之一，內有地球家園、信息時代、機器人世界、蜘蛛展四個展區。

地面三層

地面三層是該館新近建成的二期展館之一，內有探索之光、人與健康、宇航天地三個展區。