中国科学技术馆新馆于2009年9月16日建成开放。新馆设有“科学乐园”、“华夏之光”、“探索与发现”、“科技与生活”、“挑战与未来”五大主题展厅、公共空间展示区及球幕影院、巨幕影院、动感影院、4D影院等4个特效影院，其中球幕影院兼具穹幕电影放映和天象演示两种功能。此外，新馆设有多间实验室、教室、科普报告厅及多功能厅。
新馆建筑为一体量较大的单体正方形，利用若干个积木般的块体相互咬合，使整个建筑呈现出一个巨大的鲁班锁，又像一个魔方，蕴含着解锁、探秘的寓意。
华夏之光展厅通过序厅、中国古代的科学探索、中国古代的技术创新、华夏科技与世界文明的交流、体验空间五个展区，向广大观众展示华夏先民们的智慧与创造。
科学乐园主题展厅以儿童成长需求为本，展示适合儿童身心发展的科技内容，采用以游戏化、探究式互动参与为主的多样化展教方式，鼓励儿童亲身体验、积极思考，在展览和活动中积累经验、锻炼能力，激发对科学的好奇与兴趣。
探索与发现主题展厅展示了科技的美妙和神奇，人类在与自然交互的过程中体现出来的科学思想和方法，使观众在参与和体验中受到科学精神、思想和方法的启迪，享受探索与发现过程所带来的快乐。
科技与生活主题展厅以百姓生活的衣食住行作为展览的贯穿脉络，选取科学技术和人类社会生活的重要方面，展示科技发展对人类社会日益广泛和深刻的影响，同时，关注科技发展给社会生活带来的一些问题以及人们解决这些问题所做出的努力，使观众在参观和体验中进行思考和领悟。
挑战与未来主题展厅位于新馆4层。展厅主要展示人类面临的重大问题与挑战，展示科技创新对可持续发展的贡献，展示人类对未来生活的畅想，使观众认识到创新是人类应对未来挑战的重大选择，引导观众对未来科技发展问题的关注和思考。
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