Астрономическая обсерватория в Одессе основана 15 августа 1871 года в составе Императорского Новороссийского университета. Первым директором был заведующий кафедрой астрономии университета профессор Беркевич Л.Ф., специалист по метеорологии и небесной механики, при котором обсерватория провела экспедиционные наблюдения прохождения планеты Меркурий по диску Солнца и ряд других работ.
Астрофизическую направленность работам обсерватории предоставил ее директор (1881-1912) профессор Кононович А.К. А с именем следующего директора (1913-1933), академика НАН Украины, члена-корреспондента АН СССР Орлова А.Я. связано очень много начинаний и дальнейшее развитие обсерватории как большой научного учреждения на юге Украины.
После ликвидации в 1920 году Новороссийского университета, обсерватория была переименована в Одесскую государственную астрономическую обсерваторию, которая в свое время называлась и работала как Главная государственная астрономическая обсерватория Наркомпроса Украины.
В 1933 году обсерватория вновь включена в состав кафедры астрономии в созданном Одесском Государственном Университете.
Во времена фашистской оккупации обсерватория не пострадала и не была разграблена.
В 1990-х годах силами обсерватории были установлены новые инструменты с диаметрами зеркал: 80-см — в Туркмении, 100-см — в Словакии. Тогда же обсерватория была переведена в ранг Научно-исследовательского института 1-й категории при сохранении исторического названия «Астрономическая обсерватория». В настоящее время обсерватория является подразделением Одесского национального университета, а также коллективным членом Украинской Астрономической Ассоциации.
В 2019 году в одесской астрономической обсерватории национального университета, находящейся в парке Шевченко, открыли новый цифровой планетарий. Для этого была приобретена современная дорогостоящая аппаратура, мебель, сооружён бетонный купол. Пока, правда, планетарий работает в тестовом режиме, а также предстоит сделать внешнюю отделку помещения.
