上海科技馆分为11个风格各异的主题展区、4个高科技特种影院、3个古今中外科学家及其足迹的艺术长廊、2个主题特展和若干个临时展厅。上海科技馆建筑由地下一层、地面四层，附带一个办公群楼组成。
地下一层
该层主要设有两个IMAX科学影院（IMAX三维巨幕影院和球幕影院）、张江创新成果展、快餐厅。地下一层是该馆服务设施最集中的公共区域，内有售票大厅、大食代美食天地、休闲长廊和临展大厅。
地面一层
地面一层是上海科技馆一期工程的主要展区，内有生物万象、地壳探秘、儿童科技园、视听乐园、设计师摇篮五个展区和一个四维动感影院，此外还有APEC主会场、休闲大厅、咖啡休闲吧等服务设施。
地面二层
地面二层是科技馆二期展馆之一，内有地球家园、信息时代、机器人世界、蜘蛛展四个展区。
地面三层
地面三层是该馆新近建成的二期展馆之一，内有探索之光、人与健康、宇航天地三个展区。