Астрономічна обсерваторія заснована 3 серпня (15 серпня нового стилю) 1871 року у складі Імператорського Новоросійського університету. Першим директором був завідувач кафедри астрономії університету професор Беркевич Л.Ф., спеціаліст з метеорології та небесної механіки, при якому обсерваторія провела експедиційні спостереження проходження планети Меркурій по диску Сонця й низку інших робіт.

Астрофізичну спрямованість роботам обсерваторії надав її директор (1881-1912) професор Кононович О.К. А з ім'ям наступного директора (1913-1933), академіка АН України, члена-кореспондента АН СРСР Орлова О.Я. пов'язано дуже багато починань і подальший розвиток обсерваторії як великої наукової установи на півдні України.

В 1920-1933 роках, після ліквідації університету в Одесі, обсерваторія мала статус Одеської державної астрономічної обсерваторії Наркомпросу України.

В 1933 році, із поновленням Одеського університету, обсерваторія знову увійшла до його складу. Новий директор професор Покровський К.Д., член-кореспондент АН СРСР, очолював обсерваторію у 1934-1944 роках.

З 1945 по 1983 рік директором обсерваторії був професор Цесевич В.П., член-кореспондент АН УРСР, заслужений діяч науки й техніки України. При Цесевичі В.П. обсерваторія побудувала дві позаміські спостережні станції в селах Крижанівка та Маяки, три високогірні станції у Вірменії, на Північному Кавказі та в Туркменії, здобула статус наукової установи 2-ї категорії, склад її науковців виріс з 15 до 150 осіб. Були проведені дослідження і отримані значні наукові результати фундаментального та прикладного характеру, а установа збагатилась рядом нових телескопів з дзеркалами діаметром від 20 до 80 см, сучасними приладами для спостережень, тощо.

В 1957-1960 роках обсерваторія була головною в СРСР по вивченню метеорних явищ (Крамер Ю.Н.), мала три доручення Міжнародного Астрономічного Союзу по вивченню змінних зір (Романов Ю.С., Макаренко К.М., Мандель О.Ю. та ін.), тощо.

В 1984-1989 роках директором був кандидат фізико-математичних наук Медведєв Ю.О., а з 1990 по 2006 рік – доктор фізико-математичних наук професор Каретніков В.Г., який одночасно очолював кафедру астрономії університету. В 1993 році обсерваторія здобула статус науково-дослідного інституту I категорії при Одеському державному університеті зі збереженням професійної назви "Астрономічна обсерваторія".

Серед видатних учених, якi працювали в обсерваторiї, можна назвати Абалакiна В.К., Альбицького В.О., Аксентьєву З.М., Астаповича I.С., Васильєва О.С., Вiтковського I.I., Гамова Г.А., Ганського О.П., Григоревського В.М., Дiварi М.Б., Жардецького В.С., Комарова М.С., Крамера Ю.Н., Новопашенного Б.В., Савченка К.М., Стойко-Радiленка М.М., Стратонова В.В. та багатьох iнших.

За останнi роки в обсерваторiї чисельнiсть спiвробiтникiв обсерваторії скоротилась, проте збільшилась кількість кандидатів і докторів наук. Була проведена комп'ютеризацiя спостережень i обчислень. Працює низка телескопів: АЗТ-3 та 60-см телескоп з ПЗЗ-приймачами, нові автоматизовані – швидкісний КТС та сучасний багатофункціональний телескоп ОМТ-80 на спостережній станції в с. Маяки, супутниковий КТ-50 з ТВ ПЗЗ-камерою в Одесі, 80-см телескоп з двоканальним електрофотометром у Туркменiї, телескоп з діаметром головного дзеркала 1 м, оснащений двоканальним електрофотометром, в Словаччині. Виконуються роботи по спорудженню 1-метрового лазерно-локацiйного теодоліта ТПЛ-1М та 70-см телескопа для спостережень штучних супутникiв Землi, вже працює сучасний метеорний патруль на спостережнiй станцiї Крижанiвка. В другій половині ХХ століття в обсерваторiї було накопичено велику колекцію (бiльш як 100 тисяч) фотографiчних платiвок iз зображеннями зоряного неба, яка є третьою у свiтi за кількістю і яка є суттєвим внеском обсерваторії як учасниці Віртуальної Астрономічної Обсерваторії України. Наукова бібліотека обсерваторії має бiльш як 200 тисяч одиниць зберiгання.

В НДІ АО ОНУ ще в минулому сторіччі започаткована наукова школа "Одеська наукова астрономічна школа". Науковими керівниками школи були професори Цесевич В.П., Каретніков В.Г., зараз її очолює професор Андрієвський С.М.. Наукові дослідження НДІ АО ОНУ всебічно охоплюють широкий загал об’єктів і наукових проблем, на вирішення яких направлені зусилля міжнародної астрономічної спільноти – це і моніторинг ближнього космічного простору, і проблеми темної енергії і темної матерії, і визначення еволюційних шляхів матерії у Всесвіті взагалі, і в Галактиці зокрема, та інших пов’язаних з ними завдань. Історично напрямки наукової діяльності склалися таким чином:

• Визначення координат небесних тіл (зір, планет тощо) започатковано в 1920 році Дюковим І.О. і продовжено Циммерманом М.В. в 1924-1929 роках. Однак найбільші ряди спостережень отримані кандидатом наук, доцентом Новопашенним Б.В., який був керівником робіт в 1929 - 1976 роках. Пізніше керівником цих робіт були професор Чернієв Л.Ф. і кандидат наук Волянська М.Ю.. Зараз дослідження з астрометрії та небесної механіки проводять кандидат наук Базєй О.А., Базєй Н.В., Кара І.В. та ін.
• Дослідження змінних зір (фізичних і подвійних) виникло в 1937 році, але значно було розширене доктором наук, професором Цесевичем В.П. і очолювалось ним з 1945 до 1983 року. Визначні результати в дослідженнях змінних зір свого часу були отримані кандидатами наук Рубльовим С.В., Манделем О.Ю., Макаренко К.М., Шульбером О.М., Ланге Г.О., д.ф.-м.н. Андроновим І.Л., та ін. Зараз в рамках цього напрямку працюють доктори наук Андрієвський С.М., Каретніков В.Г., Ковтюх В.В., Коротін С.А., кандидати наук Удовіченко С.М., Назаренко В.В. та інші.
• Просторовий розподіл, фізичні характеристики і еволюція міжпланетної речовини в Сонячній системі та метеорних тіл започатковано доктором наук, професором Крамером Ю.Н. в 1956 році й очолювалось ним до 1994 року. Зараз роботами напрямку займаються співробітники відділу фізики малих тіл Сонячної системи (канд.ф.-м. наук Горбаньов Ю.М. та ін.). В 90-х роках започатковані дослідження пилової складової речовини навколоземного простору, які до 1993 року очолював доктор наук, професор Діварі М.Б., пізніше дослідження продовжили кандидат наук, ст. науковий співробітник Загинайло Ю.І. та Шакун Л.С.
• Дослідження руху та обертання штучних супутників Землі у 1957-1958 роках організував доктор наук, професор Цесевич В.П., а потім продовжив його учень доктор наук, професор Григоревський В.М., який керував напрямком до 1976 року. В 1976-1999 роках керівником наукового напрямку був кандидат наук Медведєв Ю.О. В ці роки було також виконано багато прикладних досліджень щодо фотометрії ШСЗ співробітниками відділу космічних досліджень Добровольським О.В., Коробко А.О. та іншими. Зараз вивчення руху ШСЗ виконується відділом під керівництвом кандидата наук Кошкіна М.І.
• Дослідження фізичних характеристик та еволюції зір диску і гало Галактики й інших галактик виникло у 1968-70 роках під керівництвом доктора наук, професора Комарова М.С. й очолювалося ним до 2003 року. Зараз наукове керівництво напрямком здійснює зав. відділом фізики зір та Галактики доктор наук Мішеніна Т.В.. Успішно працюють також доктори наук Андрієвський С.М., Ковтюх В.В., Коротін С.А., кандидати наук Гопка В.Ф., Горбаньова Т.І. та ін.
• Дослідження темної енергії і темної матерії в багатовимірній космології започатковано в 2009 році і очолюється доктором наук Жуком О.І..
• Розробку нових систем телескопів, методів і засобів астрономічних спостережень і реєстрації даних з 1968 року очолював доктор наук, професор Цесевич В.П., а потім - кандидати наук Іванов В.Н., Фащевський М.М. та пров. інженер Паулін Л.С.. Зараз розробкою астрономічного устаткування займаються також співробітники НДІ АО ОНУ Драгомирецький В.В., Рябов А.В., Подлесняк С.В., Бондаренко Ю.М. та ін.

Науковцями НДІ АО ОНУ розроблені власні високоточні методики отримання параметрів зоряних атмосфер (температури і світності), модернізовані методи дослідження хімічного складу зір, розроблено методику і підтверджено результатами визначення приналежності зір різним підструктурам Галактики, створені багаторівневі моделі атомів кальцію, калію, стронцію і барію та ін., які були застосовані для аналізу спектрів перших зір Галактики за методикою, яка враховує відхилення від припущення локальної термодинамічної рівноваги (неЛТР підхід), тощо.

Вперше побудовано розподіли для 25 хімічних елементів в Галактиці від вуглецю до диспрозію, а для розподілу заліза була досягнута точність, якої раніше досягнути не вдавалося. Це дозволило виділити тонку структуру радіального розподілу на інтервалі галактоцентричних відстаней від 4000 до 16000 пк – наявність трьох зон, кожна з яких характеризується власним значенням градієнту і середнього значення вмісту, а також довести існування своєрідного розриву у розподілі на галактоцентричній відстані 11 000 пк.

На основі статистичної моделі Галактики вперше показано, що зроблені фахівцями обсерваторії оцінки середньої маси оксигену і заліза, яка викидається в кожному типі Наднових (SNe) в галактичному диску суттєво обмежують відповідні попередні моделі різних типів Наднових. Статистичний аналіз радіальних градієнтів в галактичному диску дозволяє оцінити середню масу кисню і заліза, викинутих у вибухах Наднових. Нами вперше отримано:

1. середня маса кисню, яка викидається за колапсом ядра Наднових SNe (CC SNe) (які зосереджені в спіральних рукавах) становить близько 0.27 сонячної маси;
2. середня маса заліза, яка викидається «запізнілими» Надновими типу Ia (SNeIa, попередники яких є довгоживучі зорі з віком від 100 млн. до декількох млрд років, що не концентруються в спіральних рукавах) становить 0.58 Mо;
3. верхня маса заліза, яка викидається швидкими SNeIa (Наднові, чиї попередники молоді/короткоживучі зорі, вік яких 100 млн. років, які зосереджені в спіральних рукавах) становить 0.23 Mо на подію;
4. відповідна середня маса заліза, отримана від CC Наднових – 0.04 Mо на подію;
5. короткоживучі Наднові (з колапсом ядра або швидкі SNeIa ) поставляють 85 % від всього заліза галактичного диску.

Отримані однорідні дані про хімічний склад більш як 600 зір – це безпрецедентний результат!; виконано визначення та дослідження поведінки Na, Al, Cu, Zn, Y, Zr, Ba (неЛТР підхід), La, Ce, Nd, Sm, Eu у зорях, що належать до товстого та тонкого дисків Галактики і групи Геркулеса. Показано вперше, що більший розкид в поведінці елементів нейтронного захвату порівняно з альфа-елементами зумовлений вторинністю їх виробництва та відсутністю залежності металічність – вік для зір тонкого диску. Запропоновано вперше, що хід залежності нікелю від металічності на значеннях, вище сонячних, може бути наслідком залежності виходу нестабільного ізотопу нікелю 56Ni, який э основним джерелом заліза, від металевості. Зі спектрального матеріалу, отриманого на спектрометрі SOPHIE 1.93 м телескопу ОВП (Франція), для 5 зір в діапазоні металевості -0.8 <[Fe/H] < -3 вперше по розширеному списку ліній визначено вміст 8 елементів нейтронного захвату.

Запропоновано сценарій виробництва літію в деяких зоряних системах на еволюційних етапах, коли один з компонентів є молодою нейтронною зорею (NS). В таких системах джерелом літію є результат опромінювання поверхні оптичної зорі високоенергетичними частками, прискореними до релятивістських швидкостей у внутрішній частині диска навколо NS.

Побудовані тривимірні гідродинамічні моделі акреційних дисків, їх прецесії та зоряних вітрів у тісних подвійних зоряних системах та на основі власних розроблених моделей. При розрахунках тривимірного гідродинамічного обміну речовини в системі β Lyr додано зоряний вітер донора. Обчислення показали, що завдяки взаємодії потоку речовини, що витікає з точки Лагранжа L1, з вітром акретора навколо акретора формується оптично та геометрично товста оболонка. В центрі диску над полюсами акретора відбувається вільний рух вітру. Поза зоною розповсюдження вітру над товстим акреційним диском виникають джетоподібні структури. Речовина, що витікає із зовнішньої межі диску, взаємодіє з вітром донора, що призводить в області між точкою L1 та зовнішньою межею диску в напрямі орбітальної фази 0.25 до формування стоячої ударної хвилі, яка може бути причиною рентгенівського випромінювання від системи β Lyr.

Визначені умови утворення при злитті зір протопланетних об'єктів – широких конфігурацій типу Земної групи, групи Юпітера і групи пояса Койпера.

Побудовані залежності зміни ефективної температури, прискорення сили тяжіння на поверхні, мікротурбулентної швидкості і атмосферного вмісту заліза від фази пульсації для кількох десятків цефеїд.

В дослідженнях молодого для нашої наукової школи космологічного напрямку на прикладі нелінійної моделі гравітації, у якій одночасно розглядаються квадратична та четверна нелінійності, описаний новий тип інфляції нашого Всесвіту, названий “відскоковою інфляцією” (“bouncing inflation”), який відкриває нові можливості для опису ранніх етапів еволюції нашого Всесвіту. Досліджено границю слабкого поля в нелінійних f(R) гравітаційних моделях, розглянуто збурення метричних коефіцієнтів і визначені умови, при яких ці моделі задовольняють гравітаційним тестам. Отримано поправки першого і другого порядку для метричних коефіцієнтів у багатовимірних моделях Калуци-Клейна з різними типами компактифікації і знайдено експериментальні обмеження на ці моделі. Описано взаємну динаміку галактик Чумацький шлях та Андромеди і утворення Хабблівських потоків в околиці нашої Локальної групи.

Отримано багаторічні моніторингові спостереження штучних супутників Землі та створені бази даних координатної та фотометричної інформації про ШСЗ; розроблено методики і визначено типи обертання, орієнтація у просторі та форми космічних апаратів за їхніми кривими блиску. В рамках координованих оптичних спостережень ШСЗ на 9 телескопах української мережі УМОС поповнено каталог положень ШСЗ. За 2013 рік отримано 55569 положень 280 ШСЗ на низьких орбітах. За результатами спостережень на декількох вітках та власної чисельної моделі руху ШСЗ був розрахований каталог орбіт у вигляді векторів стану та кеплерових елементів орбіти; за елементами орбіт розраховано уточнені ефемериди у форматі подібному ILRS. У 2013 році на КТ-50 отримано криві блиску та щільні траєкторні вимірювання 151 ШСЗ у 928 проходженнях. Підготовлений до випуску третій том Атласу кривих блиску ШСЗ за 2011-2013 рр. який включає 1800 кривих блиску 324 штучних тіл та інформацію щодо їхніх початкових орбіт, розмірів та геометричної форми. Закінчено розробку та випробування програмного забезпечення для автоматичної роботи у дистанційному режимі нового супутникового телескопа КТС на станції в Маяках.

Продовжено роботи по накопиченню координатних та фотометричних спостережень астероїдів та метеорів на телескопах ОМТ-80, “Метеорному патрулі Шмідта” та різних короткофокусних камерах. До базисних спостережень метеорів щорічно залучається станція на о. Зміїний.