1850—70 споруди перебудовувались. 1915—16 обсерваторія перебувала в евакуації у Саратові, під час Великої Вітчизняної війни 1941—45 — у Свердловську. Після війни відновлено роботу установи, 1948 в саду встановлено три металеві вежі з обертовими куполами, збудовано павільйон для горизонтального сонячного телескопа. 1951 завершено спорудження лабораторного корпусу з житловими приміщеннями.

Обсерваторія. Будинок цегляний, складається з прямокутного у плані двоповерхового об'єму з анфіладнокоридорною системою планування і прилеглих до нього восьмигранних веж: з півночі — одноповерхової, з заходу — двоповерхової. Дах скатний, вкритий бляхою.

Оздоблений у строгих формах пізнього класицизму. Фасади розчленовано лопатками і поясками. Від первісного архітектурного опорядження збереглися чавунні художнього литва поручні сходів на другий поверх, кронштейни, балкони.

Лабораторія. У вигляді круглої цегляної вежі з розсувною металевою верхньою частиною для розміщення великого рефрактора. Це була друга в Україні, добре обладнана лабораторія. Організацію університетської обсерваторії розпочато 1838. В її штаті спочатку працювало два співробітники — директор і астроном-спостерігач. Тут проводилися переважно астрономо-геодезичні дослідження, практичні заняття студентів. Організатором обсерваторії та її першим директором у 1838—55 був Федоров Василь Федорович (1802—55) — астроном. Одночасно — декан фізико-математичного відділення філософського факультету (1840—41), проректор (1841—42) і ректор університету (1843—47). Особисто вирішував питання будівництва й обладнання обсерваторії, керував практичними заняттями студентів у ній. 1842 і 1851 брав участь у спостереженнях за повними сонячними затемненнями. Визначив географічні координати ряду пунктів Західного Сибіру.

Наступними директорами обсерваторії були відомі вчені.

1856 - 69 — Шидловський Андрій Петрович (1818—92) — астроном і геодезист. Одночасно — декан фізико-математичного факультету в 1866—68. Провів ремонт і добудову обсерваторії, на зразок Пулковської у Санкт-Петербурзі було побудовано нову рухому вежу для рефрактора окремо від головного будинку обсерваторії, безпосередньо на землі (замість старої, що містилась у головному будинку), перебудовано приміщення пасажного інструменту, здійснено благоустрій території. Член-засновник Астрономічного товариства у Гейдельберзі (1863). Автор підручника зі сферичної астрономії, який набув популярності в інших університетах Російської імперії. Визначив географічні координати ряду пунктів України.

Липень - жовтень 1869 - Бредіхін Федір Олександрович (1831—1904) — астроном, акад. Імператорської Санкт-Петербурзької АН (з 1890), директор Московської (1873—90) і Пулковської (1890—94) астрономічних обсерваторій, засновник спектроскопічних спостережень Сонця у Російській державі.

1870 - 1901 — Хандриков Митрофан Федорович (1837—1915) — астроном, геодезист, акад. Імператорської Санкт-Петербурзької АН (з 1896). Понад 20 років викладав в університеті всі астрономічні дисципліни, на Вищих жіночих курсах читав курс математики. Здійснив заміну обладнання обсерваторії, з західного боку будинку було прибудовано меридіанну залу, устаткування для якої виконувалось у Гамбурзі. Разом з В. Фабріціусом відкрив новий напрям досліджень — спостереження на меридіанному крузі з метою укладання каталогів положень зірок, що з часом став основним напрямом діяльності обсерваторії. Працював також у галузі небесної механіки. Автор підручників з астрономії «Система астрономії», «Описова астрономія». З ініціативи вченого 1880 почав видаватися журнал «Анналы обсерватории». Створив наукову школу. Його учнями і послідовниками були В. Фабріціус, Р. Фогель, С. Чорний та ін.

1901 - 19 — Фогель Роберт Пилипович (1859—1920) — астроном. З 1894 — астроном-спостерігач обсерваторії, де почав проводити астрофізичні роботи, професор кафедри астрономії і геодезії з 1897. За нього рефрактор пристосували під астрограф. 1914 придбали астрофотометр Цельнера. У штат обсерваторії ввели посади двох асистентів.

1915 - 16 разом з обсерваторією перебував в евакуації у Саратові. Автор підручників зі сферичної та описової астрономії, основ теоретичної астрономії, досліджень з теоретичної астрономії, визначення планетних і кометних орбіт; розвив і доповнив класичні методи визначення орбіт комет і планет. Проживав у будинку обсерваторії.

1918 - 22 — Орлов Олександр Якович (1880—1954) — астроном, акад. УАН (з 1919), чл.-кор. АН СРСР (з 1927), заслужений діяч науки УРСР (з 1950), директор астрономічної обсерваторії Новоросійського університету в Одесі (1912—20), Одеської астрономічної обсерваторії (1920—34), директор Полтавської гравіметричної обсерваторії (1926—34, 1938—51) і Головної астрономічної обсерваторії АН УРСР (1944— 48, 1950—51). Досліджував рух полюсів Землі за змінами широт.

1923 - 39 — Чорний Сергій Данилович (1874—1956) — астроном. Читав курси описової і сферичної астрономії. Автор першого підручника з описової астрономії українською мовою (1930). Теоретичні дослідження присвячено переважно галузі оточення орбіт, вивчав перигелій Меркурія на основі теорії відносності, сонячні та місячні затемнення, розпочав систематичні спостереження Сонця, малих планет і покриття зірок Місяцем.

1936 - 41 і 1944—81 — Всехсвятський Сергій Костянтинович (1905—84) — астрофізик. За нього штат обсерваторії збільшено до 14 співробітників, розпочато роботи зі спостереження за слабкими зірками і складання їх каталога, з підготовки і спостереження за повним сонячним затемненням 1941. Під час Великої Вітчизняної війни разом з обсерваторією перебував в евакуації у Свердловську. Розвив теорію походження комет та інших груп малих тіл Сонячної системи шляхом їхнього виверження з великих планет та їх супутників, передбачив існування кілець у планет-гігантів. 1958—74 опублікував фундаментальну працю «Фізичні характеристики комет», яка містить історію всіх комет до 1971, перший у світі каталог абсолютних величин комет тощо.

1876 - 94 в обсерваторії працював астрономом-спостерігачем Фабріціус Василь (Вільгельм) Іванович (1845—95) — астроном, доктор філософії (з 1873). Разом з М. Хандриковим започаткував новий напрям у спостереженні за зірками — складання каталогів положень зірок.

Під час нацистської окупації Києва в будинку обсерваторії залишилися частина інструментів і бібліотека. Після евакуації університету уповноваженим Астрономічної обсерваторії залишили професора механіки, чл.-кор. АН УРСР Ю. Соколова (до війни працював у головному корпусі). Оберігав обладнання, зокрема телескоп, і бібліотеку від пограбування і вивезення до Німеччини. Разом з доктором фізико-математичних наук О. Королем утворив підпільну патріотичну групу, встановив зв'язок з партизанами й підпільниками, передавав їм листівки зі зведеннями Радянського інформбюро, ховав радіоустановку за завданням 4-го Українського партизанського батальйону, переховував підпільників. У 1943—44 Ю. Соколов брав участь у відновленні обсерваторії. Тепер використовується університетом як астрономічна обсерваторія для проведення досліджень з астрономії, метеорної астрономії, фізики, вивчення Сонця, прогнозування сонячної активності, для оптичних спостережень за штучними супутниками. Є одним із значних центрів прогнозування сонячної активності [1778].