В 1827 году греческий купец З.П. Зосима подарил свою дачу на Пресне Московскому университету. На этой территории была построена обсерватория по проекту первого директора, профессора астрономии Д.М. Перевощикова. Архитектор Д.Г. Григорьев спроектировал главное каменное здание с круглой башней на двойном фундаменте, который позволял устанавливать особо точные астрономические приборы, а также двухэтажный деревянный дом для профессоров. Обсерватория начала свою работу в 1831 году.

Здесь проводились важные научные исследования: первые в России спектральные наблюдения небесных объектов, включая Солнце; были заложены основы отечественной астрофотометрии; начато систематическое фотографирование звездного неба и изучение переменных звезд; исследована Московская гравитационная аномалия и многое другое. В 1860-х годах была создана служба точного времени, а в 1931 году началась передача сигналов точного времени по радио, которая продолжалась даже в годы войны. В обсерватории трудились такие ученые, как Б.Я. Швейцер, Ф.А. Бредихин, В.К. Цераский, П.К. Штернберг, в честь которого назван астрономический институт, и другие, внесшие значительный вклад в развитие астрономии.

В разные годы здесь слушали лекции М.Ю. Лермонтов, А.И. Герцен, М.В. Васнецов, сын художника В.М. Васнецова.

Специфика работы обсерватории требовала постоянной модернизации и строительства для размещения нового оборудования. В 1859 году был надстроен павильон с металлическим куполом для десятидюймового рефрактора; в 1895 году возведена «Назаровская» башня для семидюймового рефрактора, спроектированная К.М. Быковским; на рубеже веков к круглой башне главного здания была пристроена аудитория, а на самой башне установлен вращающийся купол и телескоп-астрограф.

В 1903 году был построен жилой дом для приезжих астрономов, спроектированный Д.В. Стерлиговым и перестроенный А.С. Гребенщиковым.

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

Послевоенное строительство Москвы значительно осложнило работу обсерватории. Она продолжала функционировать до 1970-х годов, а последние научные наблюдения были проведены в 1990 году.

Сейчас в здании находится научно-учебный музей, обсерватория с ценными астрономическими экспонатами и самым большим телескопом в Москве.