Après quelques années de fermeture, pour restructuration, pendant lesquelles on a rénové l'ascenseur (qui réalise l'ascension en 59 secondes) et éliminé une partie des arcs de soutien en ciment, la Mole Antonelliana a rouvert ses portes et est aujourd'hui devenue le siège du Musée national du cinéma, créé en 1941, et installé à partir de 1956 dans le palazzo Chiablese.
Inauguré en juillet 2000, après la spectaculaire rénovation de l'architecte François Confino, qui a transformé le monument symbole de la ville en un musée à l'organisation verticale sur cinq niveaux unique au monde, le Musée national du cinéma présente des appareils optiques pré-cinématographiques (lanternes magiques), des pièces provenant du tournage des premiers films italiens et d'autres reliques, dans une présentation très suggestive.
Le Musée national du cinéma présente, sur son site internet, un « hyperfilm » offrant une « hypervision » à travers son espace, de l'extérieur de la Mole à l'intérieur du musée, dans lequel l'ascenseur panoramique permet au spectateur d'effectuer, tout au long des cinq niveaux du musée, une « vertigineuse ascension », qui s'achève au Tempietto, le belvédère surplombant la ville à 70 mètres de hauteur.
La Mole, qui fut l'une des premières constructions illuminées au moyen de petites flammes alimentées au gaz de ville vers la fin du XIXe siècle, présente, depuis 1998, sur une face du dôme, une installation — conçue à l'occasion de la redéfinition de l'illumination extérieure et de la naissance de la manifestation « Luci d'Artista » (Lumières d'artiste) — de l'artiste contemporain Mario Merz, Il volo dei numeri (l'envol des nombres), avec le début de la suite de Fibonacci qui s'élève vers le ciel.