Kernstück des Sternentheaters ist der Planetariumsprojektor im Zentrum der acht Meter großen Kuppel. Er zaubert einen fast naturgetreuen Sternhimmel an die Kuppel und zeigt die Bewegungen von Sonne, Erde, Mond und Planeten.
Das Osnabrücker Planetariumsgerät ist ein Sternprojektor vom Typ "Skymaster" ZKP 2 der Firma Zeiss und besteht aus über 50 einzelnen Projektoren. Das komplizierte Verbindungsgestänge enthält die Planetenprojektoren und kann deren natürliche Bewegungen zeitlich gerafft wiedergeben. Darüber hinaus verfügt das Planetarium über zahlreiche Sonderprojektoren für Jupiter mit seinen Monden, Kometen, Sternschnuppen und Satelliten.
Seit 2011 wird der Projektor durch eine Fulldome-Videoprojektionstechnik Definiti der Firma Sky-Skan ergänzt. Angesteuert von Hochleistungsrechnern werden Bilder und Videos auf die 100 Quadratmeter große Fläche der ganzen Kuppel projiziert. Erstmals werden dazu 5 Beamer mit LED-Projektionstechnik eingesetzt, die eine hohe Farbbrillianz und lange Lebensdauer erwarten lassen. Ermöglicht wurde die Erneuerung durch ein großzügige Spende der Sparkasse Osnabrück an den naturwissenschaftlichen verein Osnabrück, der die Technik dem Museum der Stadt Osnabrück schenkte.
Im Laufe des Jahres 2012 soll auch der zentrale Sternprojektor nach über 25 Betriebsjahren durch ein modernes Gerät ersetzt werden, das einen noch brillanteren Sternhimmel darstellen kann.