Здание Пулковской обсерватории строилось по проекту архитектора Александра Брюллова и было торжественно открыто (7) 19 августа 1839 года. Ее созданием руководил выдающийся учёный-астроном Василий Струве, который и стал её первым директором. В обсерватории находился один из самых больших на тот момент в мире телескопов - с фокусным расстоянием 7 м и диаметром объектива 38 см.
Основным направлением работ в обсерватории было определение положения звёзд в пространстве, а также поиск и исследование двойных звёзд. В обсерватории производились географические исследования территории России, она использовалась для развития средств навигации. В ней были составлены довольно точные каталоги звездного неба.
К 50-й годовщине основания в обсерватории была дополнительно создана астрофизическая лаборатория и установлен самый большой в мире телескоп-рефрактор с 76-сантиметровым диаметром объектива.
В 20 веке обсерватория начала передавать по радио сигналы точного времени. Ее ученые организовали множество экспедиций для определения разностей в широте, наблюдения Венеры и солнечных затмений, изучения астроклимата.
На сегодняшний день научная деятельность обсерватории охватывает практически все направления фундаментальных исследований современной астрономии: небесная механика и звёздная динамика, астрометрия (геометрические и кинематические параметры Вселенной), Солнце и солнечно-земные связи, физика и эволюция звезд, аппаратура и методика астрономических наблюдений.