L'observatoire, bâti entre 1877 et 1881, est le premier chantier du site de l'université impériale. L'architecte Hermann Eggert en conçoit les plans sur les conseils d'August Winnecke, directeur de l'institut d'astronomie nouvellement créé. Le scientifique aurait aimé l'établir sur un site à l'écart de la ville et en hauteur, plus propice à la qualité des observations. Mais le principe de regrouper l'ensemble des instituts a prévalu. Néanmoins, c'est légèrement à l'écart qu'il s'élève, au coeur du jardin botanique.

L'observatoire est en fait constitué d'un ensemble de bâtiments savamment agencés, inspiré de son modèle russe de Poulkovo où Winnecke a travaillé. L'élément principal est la grande coupole ; ce bâtiment de plan centré et compact est dominé par un dôme monté sur une charpente métallique et dont se devine la fente d'observation, large de 1m60 en position ouverte. L'édifice qui demeure aujourd'hui un lieu d'enseignement, a fait l'objet dans les années 1980 d'un agrandissement matérialisé par 4 annexes modernes implantées aux angles.

La grande coupole est associée à deux autres constructions : la maison du directeur et le bâtiment des observations ; celle-ci est repérable à ses deux tours jumelles que couronnent des petites coupoles et qui conservent à l'origine l'altazimut et une lunette de 16 cm. Les trois bâtiments sont reliés par des galeries couvertes au carrefour desquelles se trouve une petite rotonde. A cet ensemble s'ajoutent cinq cabines de mire pour le réglage des instruments, une cabine mobile et une petite coupole.

La collection d'astronomie compte environ 150 pièces. Elle rend compte de la volonté de faire de l'observatoire strasbourgeois le plus moderne d'Europe. L'une des pièces maîtresses est la lunette équatoriale de 49 cm, la plus grande sur le continent au moment de son installation, restée en place sous la grande coupole. Les autres pièces ont presque toutes été déposées pour rejoindre notamment le planétarium créé en 1982.