北京天文馆自2003年起，持续组织并带领中国代表队参与多项国际中学生天文奥林匹克竞赛，包括国际天文奥林匹克竞赛（简称IAO）、国际天文与天体物理奥林匹克竞赛（简称IOAA）、开放世界国际天文奥林匹克竞赛（简称OWAO）及亚太地区天文奥林匹克竞赛（简称APAO）等。自2023年起，进一步扩展参赛范围，新增组队参加国际天文与天体物理奥林匹克竞赛低年组（简称IOAA-JR）赛事。

全国中学生天文知识竞赛（简称CNAO）的前身可追溯至2003年开始举办的全国中学生天文奥林匹克竞赛。自2019年起，该竞赛连续进入教育部面向中小学生的自然科学素养类竞赛活动名单。北京天文馆通过该竞赛选拔优秀学生进入国家集训队，并在此基础上组建中国代表队，参加各类国际中学生天文奥林匹克赛事，为国家培养和输送了一批具备国际视野与扎实知识基础的天文后备人才。