Возникновение астрономических обсерваторий относится к глубокой древности и связано с практическими нуждами человечества в способах исчисления времени, ориентировки на суше и на море. Остатки древних сооружений астрономического назначения имеются в СССР (Армения, Узбекистан), на Бл. Востоке (Вавилон), в Мексике, Перу, Англии и других местах. Астрономические обсерватории современного типа стали появляться в Европе в начале 17 в. после изобретения зрительной трубы, превратившейся в руках Г. Галилея в телескоп. После сооружения ряда обсерваторий астрономами Тихо Браге, Я. Гевелием, В. Гершелем и др. стали создаваться государственные обсерватории, в первую очередь для разработки методов морской астронавигации. Таковы Парижская (1667), Гринвичская (1675) и другие обсерватории. В середине 20 в. общее число А. о. и и., превысило 500, причём более 90% из них расположено в Северном полушарии Земли.
В России первой астрономической обсерваторией была частная обсерватория А. А. Любимова в Холмогорах близ Архангельска (1692), второй — обсерватория Навигацкой школы в Москве (1701). В 1726 была открыта астрономическая обсерватория Петербургской академии наук в башне на здании Кунсткамеры в Петербурге (ныне Музей М. В. Ломоносова), а в 1753 — обсерватория при Виленском (Вильнюсском) университете. Позже были учреждены Пулковская обсерватория и обсерватории при нескольких университетах. До Октябьрьской революции лишь Пулковская обсерватория имела ряд крупных инструментов и значительный штат астрономов. Обсерватории же Московского, Петербургского, Киевского, Казанского, Одесского, Харьковского, Юрьевского (Дерпт, Тарту) университетов имели весьма скромное оборудование, в основном астрометрическое. Несмотря на это, на русских университетских обсерваториях были выполнены многие выдающиеся научные исследования.
Астрономическая обсерватория Пулковская (Главная астрономическая обсерватория Академии наук СССР, ГАО АН СССР) была открыта в 1839 около Петербурга. Во время Великой Отечественной войны 1941—45 обсерватория была полностью разрушена, но к 1953 восстановлена и оснащена новыми крупными инструментами. Астрометрические работы ведутся также на Николаевской астрономической обсерватории — отделении ГАО АН СССР. Кисловодская горная астрономическая станция ГАО АН СССР ведёт комплексные исследования Солнца. Симеизская астрономическая обсерватория возникла как отделение Пулковской обсерватории в 1908. Разрушенная во время Великой Отечественной войны 1941—45 обсерватория в 1945 была восстановлена и вошла в состав новой Крымской астрофизической обсерватории Академии наук СССР (КрАО); среди инструментов КрАО — самый большой в Европе рефлектор с диаметром зеркала 2,6 м.
В 1919 в Петрограде был организован Вычислительный институт, задачами которого были составление и издание астрономических ежегодников и эфемерид, а позже (1923) также и работы в области небесной механики, астрофизики, астрономического приборостроения и гравиметрии. В 1943 реорганизован в Теоретической астрономии институтАкадемии наук СССР (ИТА).
В 30—40-х гг. 20 в. в СССР образован ряд А. о. и и., ставших научно-исследовательскими учреждениями республиканской академий наук. В начале 30-х гг. при содействии Ленинградского университета началось создание в Абастумани Горной астрофизической обсерватории. Абастуманская астрофизическая обсерваторияАН Грузинской ССР (ААО) достигла больших успехов в научных исследованиях в области астрофизики и звёздной астрономии.
В 1944 близ Киева началось строительство Главной астрономической обсерватории Академии наук Украинской ССР, которая является основным астрономическим научно-исследовательским учреждением Украины. Проблемы гравиметрии и движения полюсов Земли изучаются на Полтавской гравиметрической обсерватории АН УССР (основана в 1926).
В 1946 вместо существовавшей с 1935 астрономической обсерватории Ереванского университета в 35 км от Еревана началось строительство Бюраканской астрофизической обсерватории АН Армянской ССР (БАО). На обсерватории среди других инструментов установлен один из крупнейших в мире 1-м телескоп Шмидта.
Исследования в области астрометрии, физики Солнца и проблемы переменных звёзд ведутся в Астрономическом институте Академии наук Узбекской ССР (б. Ташкентская астрономическая обсерватория, созданная в 1873 главным образом как центр астрономо-геодезических работ в Туркестане). Филиалом института является Китабская широтная станция им. Улугбека, одна из станций Международной службы движения полюсов Земли.
Астрофизики институт Академии наук Таджикской ССР основан в Душанбе на базе Сталинабадской астрономической обсерватории, созданной в 1932 как один из центров изучения переменных звёзд и метеоров.
В 1942 в Алма-Ате создан Институт астрономии и физики, из которого в 1950 выделился Астрофизический институт Академии наук Казахской ССР. На горной обсерватории института установлен первый советский крупный 50-см менисковый телескоп, сконструированный Д. Д. Максутовым.
В 1945 создана ещё одна национальная обсерватория — Ашхабадская астрофизическая лаборатория Туркменского филиала АН СССР (позже — Академии наук Туркменских ССР). Её основное оборудование (в т. ч. и радиолокационное) предназначено для изучения метеоров и Зодиакального Света.
В середине 1960-х гг. близ г. Шемаха, в 150 км от Баку, создана Шемахинская астрофизическая обсерватория АН Азербайджанской ССР, на которой установлен один из крупнейших в Европе 2-м рефлектор.
В 1964 в Тыравере, близ Тарту, открыта Тартуская астрофизическая обсерватория им. В. Я. Струве АН Эстонской ССР, продолжившая работы Тартуской (ранее — Дерптской, Юрьевской) астрономической обсерватории, основанной в 1805.
Кроме того, наблюдения и научные исследования ведутся на широтных станциях в Горьком и Благовещенске, солнечных обсерваториях Института земного магнетизма и распространения радиоволн АН СССР в Ватутенках, близ Москвы, и Сибирского Института земного магнетизма и распространения радиоволн АН СССР в Вост. Саянах. В 1950-х гг. в основном завершено строительство Радиоастрофизической обсерватории АН Латвийской ССР в Балдоне, близ Риги, и Звенигородской экспериментальной станции Астрономического совета АН СССР — специализированной астрономической обсерватории для разработки аппаратуры и методики оптических наблюдений искусственных космических объектов.