Das Orangerieschloss beherbergt neben Hessens größtem Planetarium im Astronomisch-Physikalischen Kabinett die landgräfliche Sammlung wissenschaftlicher Instrumente. Im Astronomisch-Physikalischen Kabinett wird der Besucher auf eine interessante Zeitreise durch Kassels naturwissenschaftliche und technische Vergangenheit mitgenommen. Hierbei erhält er Einblicke in die Ausstellungsbereiche Astronomie, Experimentalphysik, Mathematik/Informationstechnik sowie den neugestalteten Themenkomplex für Raum- und Zeitmessung. Ergänzt wird die Präsentation durch spannende und regelmäßig wechselnde Themenführungen.

Für Lehr- und Forschungszwecke sammelten die Landgrafen unter anderem Sekundenpendeluhren, Vakuumpumpen, Fernrohre, Mikroskope, Elektrisiermaschinen und frühe Rechenmaschinen. Mechanische Himmelsgloben und astronomische Kunstuhren halfen durch ihre uhrwerksgetriebene Simulation der Himmelsbewegungen den Kosmos zu verstehen. Beginnend mit Landgraf Wilhelm IV. im 16. Jahrhundert wurde die Sammelleidenschaft und das Interesse an den Naturwissenschaften und vor allem der Astronomie über die Jahrhundert weitergegeben und die Sammlung ergänzt, die sich heute in der Orangerie befindet.

Hessens größtes Planetarium im Apollo-Saal der Kasseler Orangerie ermöglicht unter seiner zehn Meter durchmessenden Kuppel einen beeindruckenden Blick in die Sterne. Kernstück des Planetariums ist das 2016 beschaffte, ultramoderne Hybrid-Projektionssystem, bestehend aus einem Sternenprojektor, dem Skymaster ZKP 4 sowie dem Full-Dome-Projektor Velvet Duo. Beide Systeme wurden bei der Traditionsfirma Carl Zeiss in Jena entwickelt und produziert.

Bereits seit April 1992 bietet das Planetarium ein breites Spektrum an Vorführungen. Diese wurden und werden zum großen Teil live vorgeführt. Dabei steht neben der Faszination die altersgemäße Vermittlung astronomischer, aber auch anderer naturwissenschaftlichen Phänomene im Mittelpunkt, so dass wichtige Erkenntnisse mit nach Hause genommen werden können.

Dass das Planetarium Teil des Astronomisch-Physikalischen Kabinetts ist, ist kein Zufall. Ein Highlight der Sammlung ist eine uhrwerkgetriebene Planetenuhr aus dem 16. Jahrhundert. Damit konnte man bereits damals jederzeit die Position von Sonne, Mond und Planeten ablesen. Sie gehört zu den weltweit frühesten und technisch aufwändigsten Versuchen, den Lauf der Gestirne naturgetreu nachzubilden und gilt daher als Urahn der modernen Planetarien.