Els primers observatoris de què hom té referència històrica foren construïts per Nemrod a Mesopotàmia, fa 2.500 anys, i consistien en grans piràmides que hom feia servir tant per adorar els astres com per a estudiar-ne els moviments. El mateix tipus d’edificacions foren construïdes a la Xina i a l’Amèrica del Sud, alguns segles més tard que a Mesopotàmia. Els aparells que hi havia en els primitius observatoris eren molt simples: la clepsidra, el gnòmon i el bastó de Jacob, anomenat també fletxa astronòmica o ballesta, que servia per a mesurar l’altura d’un astre sobre l’horitzó i per a mesurar la distància angular entre dos astres. En els observatoris de l’època grega hom utilitzà també l'armil·la, el quart de cercle o quadrant, l'astrolabi i el regle paral·làctic, que hom feu servir fins al segle XV. Després de la destrucció de la biblioteca d’Alexandria, tota iniciativa científica restà en mans dels àrabs. Els àrabs no inventaren nous instruments, però construïren diversos observatoris, el més important dels quals, l’observatori de Samarkanda, fou construït al segle XV; era un edifici de tres pisos i tenia un quart de cercle de 60 m de radi, que serví per a establir un important catàleg d’estels. L’observatori oficial de l’imperi xinès fou construït al segle XIII, mentre que a Europa els primers observatoris importants no foren construïts fins a la darreria del segle XV.
Així, vers l’any 1471 Johann Müller (Regiomontanus) construí un observatori a Nuremberg, i l’any 1576 Tycho Brahe, sota la protecció de Frederic II de Dinamarca, inicià la construcció de l’observatori d’Uranienborg, que fou l’últim observatori important de l’època pretelescòpica. La invenció del telescopi, l’any 1608, inicià una nova etapa en la història dels observatoris; Galileu (1610) fou el primer que observà el firmament amb un telescopi. En aquesta etapa, com a conseqüència de la potenciació de les marines militars i mercants i de la necessitat d’obtenir taules astronòmiques per a determinar la posició geogràfica dels vaixells a alta mar, foren fundats diversos observatoris nacionals, com el de Leiden (1632), el de Copenhaguen (1637), el de París (1667) i el de Greenwich (1675).
Pels volts de l’any 1860 l’aplicació de la fotografia a l’observació astronòmica amplià notablement les possibilitats dels observatoris, bé que l’autèntica revolució en el camp de l’observació astronòmica s’esdevingué cap a la fi del segle XIX, en aplicar les tècniques de l’espectroscòpia a l’estudi dels astres. L’espectroscòpia, juntament amb l’aparició de nous instruments, com l'astrolabi impersonal, la cambra de Schmidt i el coronògraf, donà lloc, d’una banda, al naixement de l'astrofísica, i de l’altra, a l’especialització de molts observatoris moderns en un camp d’estudi determinat, com pot ésser l’estudi del Sol, la recerca d’asteroides o l’estudi de les propietats dels astres. També cap a la fi del segle XIX hom començà a equipar els observatoris amb telescopis reflectors (telescopi) de dimensions gegantines. L’any 1931 la descoberta de la radioastronomia portà com a conseqüència la creació d’observatoris especialitzats en aquesta tècnica, els quals, utilitzant el radiotelescopi com a instrument fonamental, han estudiat moltes zones de l’Univers òpticament inaccessibles. Un dels problemes amb què es troben actualment alguns observatoris és la pertorbació que representa per a les observacions la resplendor de la llum de les ciutats, les vibracions que provoca el trànsit de vehicles i les pol·lucions de tota mena. Per això hom cerca de construir els nous observatoris en llocs forans, no sotmesos a les dites pertorbacions. D’altra banda, el fet que la gran majoria dels observatoris siguin situats a l’hemisferi nord fa que el coneixement dels astres de l’hemisferi sud, alguns dels quals tenen molt d’interès, sigui força incomplet. Cal dir, finalment, que els progressos assolits en astronàutica han permès de fer observacions astronòmiques des de l’espai exterior, lluny de les pertorbacions (naturals o artificials) que han de suportar els observatoris terrestres.
Els observatoris als Països Catalans
A Barcelona funcionen, actualment, l'Observatori Fabra, dos d’universitaris (un a l’edifici central de la plaça de la Universitat i un altre a Pedralbes, aquest amb secció astronòmica) i els de la Societat Astronòmica d’Espanya i Amèrica i l’Agrupació Astronòmica Aster. Antigament hi havia també el particular de Comas i Solà, anomenat Villa Urània. També funcionen els observatoris meteorològics del Servicio Meteorológico Nacional, el de l’aeroport de Barcelona i el dedicat a la mar, de l’Escola Nàutica, al pla de Palau. L’any 1938 restà destruït el del Servei Meteorològic de Catalunya. Hi ha observatoris generals a Roquetes (Observatori de l’Ebre), a Perpinyà, a la Universitat de València, a l’Agrupació Astronòmica de Sabadell i a l’anomenat Observatori Astronòmic Vila, de Sant Feliu de Guíxols. El de Vic (Pratdesaba) ha restat inactiu, i han desaparegut el de Rafael Patxot, a Sant Feliu de Guíxols, i el del comte de Bell-lloc, a Llinars del Vallès. Alguns observatoris meteorològics fan també observacions astronòmiques, com és ara el de la Federació Agrícola del Llevant (València), el del Turó de l’Home o del Montseny (fundat el 1933 per Eduard Fontserè), el de Montserrat, el dels instituts de Girona i de Tarragona i el del Centre de Lectura de Reus. A Alacant hi ha l’observatori oficial, dedicat a sismologia, i al port d’Arenys de Mar n'hi ha un de dedicat a la marina.