Fundado en 1790, cuenta con varios edificios entre los que destaca el diseñado por Juan de Villanueva a finales del siglo XVIII.

Este mismo año se firma el decreto de constitución del Observatorio.

[5]​ Los observatorios astronómicos nacionales constituyen una de las instituciones más antiguas para investigación creada por los distintos gobiernos.

Este ya había diseñado el edificio del Congreso de los Diputados anteriormente.

La obra se finaliza en 1846, con algunas modificaciones sobre el proyecto original de Villanueva, como la barandilla isabelina y los dos cupulines delanteros en la azotea (frente a los dos traseros del primer arquitecto).

También se construyen allí dos salientes, con el objetivo de instalar un colimador que permitiera ajustar la alineación del telescopio meridiano.

[13]​ En la década de 1980, Fernández Alba llevó a cabo también una intervención arquitectónica sobre el Pabellón del Sol y el Pabellón del Astrógrafo, llevándolos a su volumetría y detalles actuales.

El edificio planteado se caracteriza por la sobriedad y la simetría, con un esbelto pórtico que define la fachada principal, con columnas rematadas con capiteles corintios.

En lo alto, cuatro pequeñas cúpulas flanquean un gran templete que corona el edificio, rodeado por dieciséis columnas, esta vez terminadas en capiteles jónicos.

En ese año comenzó la invasión francesa, que afectó de manera evidente a la ciudad madrileña.

Además, a mediados del siglo XIX, se instala en el ala este del edificio de Villanueva un gran círculo meridiano, para lo que fue necesario practicar una abertura en forma de fina ventana.

Esta no es paralela por completo a la pared este, curiosamente, por un error en la alineación inicial del edificio.

[9]​ En 1865 se llegó a plantear la sustitución del icónico templete por una azotea plana, ya que en el Observatorio se realizaban también estudios meteorológicos y esta fisionomía habría sido más adecuada para ello.

Además, se dotó al telescopio de una escalera que permitía subir a una plataforma para poder leer los círculos del anteojo.

[23]​ El telescopio apenas pudo ser empleado para la observación astronómica, ya que, tan solo seis años después de su llegada a Madrid, comenzó la invasión napoleónica.

La conservación de los planos fue fundamental para llevar a cabo la reconstrucción del telescopio.

Para la reconstrucción se buscó mantener todos los detalles del original, desde los elementos ópticos hasta los telescopios buscadores, así como el cuadrante de latón que permite determinar la elevación a la que se observa.

Lejos de limitarse a la astronomía, esta exposición enfatiza la relación entre los diversos campos que abarca el Instituto Geográfico Nacional, como son la geodesia, la cartografía y la geofísica, y que, de una manera u otra, guardan relación con la historia del Observatorio.

Entre los instrumentos astronómicos que se muestran, destacan unas elegantes esferas armilares, varios telescopios de los siglos XVIII y XIX, el gran telescopio Grubb adquirido en 1900 y un astrógrafo de los años 20, especializado en tomar fotografías del cielo.

Se fundó como el primer observatorio con enfoque científico en España y formaba parte del llamado “eje de las ciencias”.

Actualmente, la institución alberga la sede del Observatorio Astronómico Nacional de España, perteneciente a la Subdirección General de Astronomía y Geodesia, [25]​y la sede del Observatorio Geofísico Central, perteneciente a la Subdirección General de Vigilancia, Alerta y Estudios Geofísicos, ambos pertenecientes al Instituto Geográfico Nacional.

Mantuvo esta función hasta los años sesenta del pasado siglo, cuando todavía se recibían llamadas para consultar la hora.

Durante todo el siglo XIX, el Observatorio tuvo encomendadas labores de meteorología, considerados entonces como un complemento de los estudios astronómicos, prolongándose la actividad en este campo hasta los primeros años del siglo XX.

En concreto, a comienzos del siglo XX, se llevaron a cabo importantes estudios de heliofísica, incluyendo misiones para observar varios eclipses totales de Sol visibles desde España.

Desde este recinto se realiza también una importante labor de vigilancia volcánica, con una especial atención a las islas Canarias.