Stellarium opera simulando, en la pantalla, la vista esférica del cielo (en todas las direcciones, incluso "bajo el suelo"), en la cual es posible observar varios cuerpos celestes, como la Luna, el Sol, y varias estrellas y constelaciones. La vista se desarrolla en forma tridimensional, ajustada a una forma "visual" o a una forma "binocular" ("fisheye projection").
El programa tiene la opción de tomar la latitud y longitud de cualquier ubicación geográfica, con lo que es posible observar el cielo en distintas partes del mundo. La visualización se lleva en tiempo real, o en un tiempo de velocidad ajustable hacia adelante y hacia atrás en el tiempo, con lo que es posible "observar" el cielo en cualquier momento y lugar en la Tierra.
Para una visualización más realista, permite simular el efecto de la atmósfera, el cual resulta en una difuminación de la luz de las estrellas de noche, y en el brillo y tono azul que cubre el cielo de día.
Stellarium permite simular una "vista de mundo real" la cual incluye un efecto de suelo con paisajes (de ciudad, bosque u otros modelos), tamaño y brillo aparente de los cuerpos celestes (en particular el Sol), efecto de neblina, y otros.
Otras opciones incluyen: una visualización de carácter "artístico" con diseños de las constelaciones; plano ecuatorial/azimutal para seguir el movimiento de los cuerpos celestes; y compatibilidad con catálogos de cuerpos celestes como cometas y nebulosas.
El sitio web recomienda una proyección en ambientes oscuros para obtener un mejor realismo.