Tartu observatoorium on 1808. aastal rajatud Tartu Ülikooli tähetorni ja 1865. aastal rajatud Tartu Ülikooli meteoroloogia observatooriumi järeltulija ning töö jätkaja. 1. jaanuaril 1947 moodustati Tartu Riikliku Ülikooli astronoomia ja meteoroloogia observatooriumeist Eesti NSV Teaduste Akadeemiasse kuuluv Füüsika, Matemaatika ja Mehaanika Instituut, mis sai 9. oktoobril 1952 uueks nimeks Füüsika ja Astronoomia Instituut (FAI). 1. oktoobril 1973 jagunes instituut Füüsika Instituudiks (FI) Tartus ning Astrofüüsika ja Atmosfäärifüüsika Instituudiks (AAI) Tõraveres. 21. septembril 1995 sai AAI uueks nimeks Tartu Observatoorium. 2. jaanuaril 1996 viidi Tartu Observatoorium Teaduste Akadeemia koosseisust haridus- ja teadusministeeriumi haldusalasse.[1] Alates 1. jaanuarist 2018 kuulub observatoorium taas Tartu Ülikooli alla.[2] Nüüd on asutuse ametlik nimi Tartu Ülikooli Tartu observatoorium. Tartu Ülikooli struktuuri kohaselt kuulub observatoorium loodus- ja täppisteaduste valdkonna koosseisu.
2011 – moodustasid Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi ning Tartu Observatooriumi kosmoloogid teaduse tippkeskuse "Dark Matter in (Astro)particle Physics and Cosmology".
2011–2012 toimus Tartu Observatooriumi peahoone kapitaalremont. Pärast avamist said teadlased enda käsutusse modernsed töö- ja laboriruumid.
2018 – liideti observatoorium taas Tartu Ülikooliga, jätkates loodus- ja täppisteaduste valdkonna instituudina.[1]