Stellarium présente le ciel en temps réel et en 3D de manière photoréaliste au moyen de OpenGL. Il permet d'afficher les étoiles, les constellations, les planètes et les nébuleuses. De nombreuses autres fonctionnalités sont disponibles, parmi lesquels l'utilisation de nombreux paysages panoramiques, la simulation du brouillard et de la pollution lumineuse. Un moteur de scripts est également proposé.
Stellarium est livré avec un catalogue d'environ 600 milliers étoiles. Des catalogues supplémentaires comportant jusqu'à 220 millions d'étoiles peuvent être téléchargés.
Stellarium propose l'affichage de constellations de plusieurs cultures, issues des traditions d'astronomes de Polynésie, Inuit, Navajo, de Corée, Lakota, Grecs et de Chine, ainsi que les constellations traditionnelles de la culture occidentale et les constellations modernes officielles.
Il est également possible de visiter d'autres corps célestes du système solaire, par exemple pour voir le ciel comme les astronautes du programme Apollo ou observer les anneaux de Saturne depuis Titan.
