Заснована 1845 як Астрономічна обсерваторія Київського університету.
Після відкриття університету в 1834 р. був організований один факультет – філософський з двома відділеннями. На першому відділенні вивчались гуманітарні дисципліни, на другому – природничі, серед яких і астрономія. 1835 був затверджений штат університету, відповідно до якого у складі другого відділення філософського факультету була утворена кафедра астрономії. Вона була зайнята тільки у 1838, коли в університет було запрошено В.Ф.Федорова.
Початок астрофізичних досліджень пов’язаний з приходом на посаду директора у 1939 р. С.К. Всехсвятського та розвиток досліджень з релятивістської астрофізики О.Ф. Богородським у 60 роках 20 ст.
В АО працювали відомі вчені: В.Ф.Федоров, учень і послідовник всесвітньо відомого В.Я.Струве, перший директор, який 1843-47 рр. був ректором університету; М.Ф.Хандриков, численні наукові роботи якого створили йому репутацію одного з провідних астрономів кінця ХІХ – початку ХХ ст., а написані ним навчальні посібники користувалися у свій час широкою популярністю та відіграли помітну роль у поширенні астрономічних знань; В.І.Фабріциус, невтомний спостерігач, спостереження якого увійшли до золотого фонду світових позиційних даних; С.К.Всехсвятський, великий провидець, який передбачив існування кілець у Юпітера, що згодом підтвердилося під час польотів американських космічних апаратів, ентузіаст еруптивної теорії походження комет; О.Ф.Богородський, автор відомих монографій із застосування теорії тяжіння Ейнштейна для описання астрономічних явищ. В обсерваторії працювали проф. В.Г.Кручиненко, один з засновників метеорних досліджень в університеті; д.ф.-м.н. В.Ю.Караченцева, відомий фахівець з позагалактичної астрономії; д.ф.-м.н. Манжос А.В., який започаткував роботи з гравітаційного лінзування.
Зараз в Обсерваторії працюють відомі науковці: член-кореспондент НАН України, професор К.І.Чурюмов, спеціаліст в області кометної астрономії, відкривач двох комет, до однієї з них (комети Чурюмова-Герасименко) здійснив політ космічний апарат європейського космічного агенства “Розетта”; професор В.І.Жданов, д.ф.-м.н. С.Л.Парновський, д.ф.-м.н. Б.І.Гнатик, спеціалісти в області релятивістської астрофізики; д.ф.-м.н. В.Г.Лозицький, д.ф.-м.н. В.Н. Криводубський спеціалісти з фізики Сонця та інші.
Основні напрямки наукових досліджень на сучасному етапі:
Найважливіші наукові результати:
Астрономічна обсерваторія має дві заміські спостережні станції розташовані у с. Лісники Києво-Святошинського району та с. Пилиповичі Бородянського району Київської області. На спостережній станції у с. Лісниках, крім телевізійної апаратури для спостережень метеорів, розміщені телескопи АЗТ-14 (D=48 см) і АЗТ-8 ( 70 см), які використовуються для моніторингу малих тіл і пошуку нових комет та астероїдів, спостережень покрить зір астероїдами та визначення їх розмірів і альбедо, фотометричних, спектральних та позиційних спостережень комет, спостережень активних ядер галактик. На спостережній станції біля с. Пилиповичі ведуться телевізійні спостереження метеорів та розпочато геофізичні дослідження кафедрою геофізики геологічного факультету університету.
Астрономічна обсерваторія з 1958 р. видає періодичне видання “Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Астрономія”, яке є фаховим виданням зі спеціальності астрономія та входить у перелік ВАК України. Видано 52 випуски Вісника.
Астрономічна обсерваторія увійшла у світову науку своїми роботами у галузі астрометрії, небесної механіки, фізики Сонця, позагалактичної астрономії, фізики малих тіл сонячної системи, релятивістської астрофізики. Співробітники обсерваторії читають лекції та спецкурси студентам Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Національного університету “Київський політехнічний інститут”, Національного університету “Києво-Могилянська академія”; беруть участь у міжнародних наукових програмах, міжнародних симпозіумах, публікуються у міжнародних виданнях.
На кінець 2015 р. в Астрономічній обсерваторії працювало 33 науковці, з них 6 докторів (1 член-кореспондент НАНУ) і 20 кандидатів наук та 20 працівників обслуговуючого персоналу. 21 співробітник Астрономічної обсерваторії є членами Міжнародної астрономічної спілки, 15 – Європейського астрономічного товариства.