Nel museo sono esposti strumenti scientifici utilizzati per le osservazioni condotte dagli astronomi dell’Osservatorio dalla sua fondazione, intorno al 1760, fino alla metà del Novecento. In un ambiente suggestivo, il visitatore può ammirare antichi telescopi, orologi solari e pendoli, strumenti di meteorologia, topografia e di fisica, mappe e globi.  È inoltre visibile, nel corso di visite guidate, il telescopio Merz usato da Virginio Schiaparelli per le prime osservazioni di Marte nella cupola originale.

Il Museo Astronomico di Brera è stato riconosciuto da Regione Lombardia come Museo provvisoriamente nel 2004 e definitivamente nel 2011, a seguito dell'istituzione, nel 2005, del "Museo Astronomico-Orto Botanico di Brera". Istituito nuovamente come "Museo Astronomico di Brera" nel 2015, è stato riconosciuto come Raccolta Museale nel 2018.