Tähetorn valmis 1810. aastal, kuid alles 1814. aastal alustati tähetornis regulaarseid vaatlusi.
Tartu tähetornis tehtud teadus on korduvalt muutnud inimkonna arusaamu Maast ja Universumist. Siin on tegeldud geodeesia, astronoomia, seismoloogia, aja mõõtmise, teoreetilise- ja eksperimentaalfüüsikaga. Maailma teadusajalukku viis Tartu tähetorni observatooriumi direktor Friedrich Georg Wilhelm Struve, mõõtes 1835. aastal esimesena tähe kauguse päikesesüsteemist ning määrates kindlaks tuhandete kaksiktähtede positsioonid.
Tõravere observatooriumi valmimise järel 1964. aastal lahkusid astronoomid Tartu tähetornist. Hiljem tegutses tähetornis Tartu Linnamuuseumi filiaal ning pärast selle sulgemist teaduskeskus Ahhaa. 1963. aastast tänaseni tegutseb tähetorni juures astronoomiaring.
1824. aastal saabus tähetorni Fraunhoferi refraktor, mis oli tol ajal suurim ja parim läätsteleskoop maailmas. Suurepärase vaatlusriista omandamisega seoses ehitati George Friedrich Parrot’ plaani järgi tornikuppel ümber pöördtorniks. Uus torni konstruktsioon osutus sedavõrd õnnestunuks, et leidis järgmise poole sajandi jooksul rakendamist paljudes uutes observatooriumides .
Petzvali astrograaf paigaldati iseseisva instrumendina Repsoldi seniitteleskoobi tarbeks ehitatud paviljoni. See oli mõeldud eelkõige komeetide ja asteroidide fotografeerimiseks ning taevaalade pildistamiseks.
1919 – 1948: Tähetorni direktoriks oli esimese eestlasena Taavet Rootsmäe .
1969 – Tähetorni ees avati Friedrich Georg Wilhelm Struve monument .
2009. aastal alustati Euroopa Regionaalarengu Fondist finantseeritava Ettevõtluse Arendamise Sihtasutuse piirkondade konkurentsivõime arendamise programmi toel tähetorni restaureerimist .
1969. Aastal avati Tartu tähetorn ka muuseumina.
Tartu Ülikooli ajaloo muuseum tutvustab teaduse ja ülikoolihariduse ajalugu 17. sajandist tänapäevani.
Muuseum asub Toomemäel. Siin on muuseumi käsutuses mitmed 19. sajandi alguses ehitatud ülikoolihooned – toomkiriku varemete kooriosasse rajatud kunagine ülikooli raamatukogu, tähetorn ja osa vanast anatoomikumist .
Osana Struve geodeetilisest kaarest kuulub Tartu tähetorn alates 2005. aastast UNESCO maailma kultuuripärandi nimekirja. Tähetorni direktori F. G. W. Struve ja eesti soost kindrali Carl Friedrich Tenneri juhtimisel mõõdeti 1816-1852 triangulatsioonimeetodil meridiaanikaar Põhja-Norrast Musta mereni. Sellel tööl oli suur tähtsus astronoomia, geodeesia ja kartograafia arengus.
1985 – Viimane teaduslik vaatlus Tartu Tähetornis (Hugo Raudsaar määras Halley komeedi positsiooni).