L'Etablissement est le plus ancien des observatoires modernes. Il est l'héritier d'une longue et prestigieuse histoire dont l'aboutissement est la réunion de trois sites, Paris, Meudon et Nançay, en une même structure.

En 1667, aux confins du Paris de l'époque, naît l'Observatoire royal, sous l'impulsion de l'Académie Royale des Sciences. Le bâtiment qui l'abrite est conçu par Claude Perrault. La première construction sera augmentée de deux ailes; puis deux autres bâtiments seront construits après 1970. Il est dirigé par des astronomes célèbres, tels les Cassini, Lalande, Arago, Le Verrier, l'amiral Mouchez. Jusqu'au début du vingtième siècle, il est spécialisé dans la mécanique céleste et l'astronomie de position. Ces domaines vont s'élargir quand, en 1926, un décret décide de sa fusion avec l'Observatoire de Meudon.

En 1876, à Meudon, un ancien domaine royal est mis à la disposition de Jules Janssen, pour lui permettre de développer loin de la pollution urbaine ses recherches en physique astronomique. La vie scientifique s'y développe. Divers instruments sont installés: grande lunette sous la coupole du château, télescope de 1 mètre, spectrohéliographes, sidérostats...; puis une table équatoriale, un télescope de 60 cm et plus tard une tour solaire. Les techniques spatiales se développent. On construit de nouveaux bâtiments, dont l'un consacré à l'astrophysique théorique. Mais entre temps, à l'Observatoire de Paris, sous la direction de Danjon, s'est ajoutée la station de Nançay.

En effet, en 1953, des chercheurs de l'Ecole normale supérieure de Paris fondent la station de radioastronomie de Nançay (Cher) qui est très rapidement rattachée à l'Observatoire de Paris. Elle abrite trois instruments principaux. Le radiotélescope décimétrique est dédié à l'étude des comètes, de la physique des galaxies, des grandes structures de l'Univers, et à la chronométrie des pulsars millisecondes. Le radiohéliographe fournit régulièrement des images de la couronne solaire. Le réseau d'antennes décamétriques est voué essentiellement à l'étude de Jupiter et de la couronne solaire.

Tout au long de son évolution, l'Observatoire a été le berceau de travaux d'envergure qui ont marqué l'histoire des Sciences, de l'illustration de la vitesse finie de la lumière (1676), à la mesure d'un degré de méridien (jusqu'en 1784), et aujourd'hui à la participation aux expériences internationales de pointe, au sol ou dans l'espace.