Вона стала однією з перших у Європі й першою в Україні й мала забезпечувати флот картами та проводити уроки з астрономічного орієнтування. У 1912 році Миколаївська обсерваторія стала філією Головної (Пулковської) астрономічної обсерваторії (ГАО). У цей час її основною функцією було поширення системи Пулковських абсолютних зоряних каталогів на південне небо та спостереження за Сонячною системою. У післявоєнні часи в обсерваторії провели оновлення обладнання, почали розвивати фотографічну астронометрію, яка давала одні з найточніших показників у світі, проводили полярні експедиції, створювали каталоги небесних світил тощо.
У 1992 році Миколаївська астрономічна обсерваторія стала незалежною науковою установою, а у 2002 році здобула звання науково-дослідного інституту. У цей період більший акцент у діяльності установи робили на приладобудуванні та дослідженні навколопланетного простору. У технічному арсеналі обсерваторії з’явилися автоматичний телескоп із ПЗЗ приймачем Аксіальний меридіанний круг (АМК), визнаний національним надбанням України, швидкісний автоматичний комплекс для спостережень, перший в Україні мобільний телескоп.
Нещодавно на території обсерваторії відкрили музей, де представлені астрономічні прилади від 13 століття до сучасності. Серед них — телескоп, який 150 років був найбільшим у світі.
