В 1827 г. купец грек З.П. Зосима подарил свою дачу на Пресне Московскому университету. В этом владении и была построена Обсерватория по плану ее первого директора профессора астрономии Д.М. Перевощикова. Архитектором главного каменного с круглой башней здания на специальном двойном фундаменте, позволяющем устанавливать особо точные астрономические приборы, и двухэтажного деревянного «профессорского» дома (стр. 3) был Д.Г. Григорьев. Обсерватория открылась в 1831 г.

В обсерватории были проведены фундаментальные научные исследования: первые в России спектральные наблюдения небесных объектов, в частности Солнца; заложены основы отечественной астрофотометрии; начато систематическое фотографирование звездного неба и изучение переменных звезд; изучена Московская гравитационная аномалия и мн. др. В 1860–е гг. здесь была создана служба точного времени, в 1931 г. отсюда началась подача сигналов точного времени по радио, которая не прекращалась и во время войны. В стенах обсерватории работали такие ученые как Б.Я. Швейцер, Ф.А. Бредихин, В.К. Цераский, П.К. Штернберг (его именем был назван астрономический институт) и др., внесшие огромный вклад в развитие астрономии.

В разное время здесь слушали лекции М.Ю. Лермонтов, А.И. Герцен, М.В. Васнецов — сын живописца В.М. Васнецова.

Специфика учреждения требовала постоянной модернизации и строительства для нового оборудования: в 1859 г. надстроен специальный павильон с металлическим куполом для десятидюймового рефрактора; в 1895 г. построена «Назаровская» башня (стр. 7) для семидюймового рефрактора (арх. К.М. Быковский); на рубеже веков к круглой башне главного здания была пристроена ходовая аудитория, а на самой башне установлен вращающийся купол и телескоп-астрограф.

В 1903 г. построен жилой дом для приезжих астрономов (стр. 4) (арх. Д.В. Стерлигов, перестроен А.С. Гребенщиковым).

В 1931 г. на базе обсерватории был создан Астрономический институт (ГАИШ).

Послевоенное строительство Москвы значительно затруднило работу обсерватории. Она продолжала работу до 1970-х гг., последние научные наблюдения были проведены в 1990 г.

В настоящее время в здании располагается научно-учебный музей–обсерватория с ценнейшими астрономическими экспонатами и самым большим по размерам телескопом в Москве.