中国科学院国家天文台成立于2001年4月，系由中国科学院天文领域原四台三站一中心撤并整合而成，包括总部及4个直属单位，总部设在北京，直属单位分别是：中国科学院云南天文台、中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所、中国科学院新疆天文台和中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站。

中国科学院的知识创新工程试点工作开始于1998年。按照中国科学院深化科技体制改革和建设国家知识创新基地的部署，经天文学界的努力，天文基地被列入首批启动的知识创新基地之一。当时，中国天文学研究的布局集中在院属五台三站一中心，其中的“五台”分别是：北京天文台、上海天文台、紫金山天文台、云南天文台和陕西天文台；“三站”分别是：乌鲁木齐站、长春人造卫星观测站和广州人造卫星观测站卫站；“一中心”是南京天文仪器中心。

1999年4月16日，中国科学院决定在院属五台三站一中心的基础上，批准组建“国家天文观测中心”。

国家天文观测中心的定位是：统筹科学院天文学科发展的布局、大中型观测仪器设备运行以及未来发展的大科学工程项目的立项实施；建立天文研究工作网络，由天文观测中心负责科研工作的宏观协调和指导，研究工作仍分布在各天文台站及与大学联合成立的中心进行管理和实施；争取在2000年末经国家科技部批准，成立国家天文台和若干天文研究机构，组成中国科学院天文研究新体系。

1999年4月23日，国家天文观测中心（北京天文台作为其总部所在地）举行成立大会和挂牌仪式；5月19日，艾国祥被任命为国家天文观测中心主任，汪景琇、王宜、杨福民、严俊和罗国权被任命为副主任。

国家天文观测中心确立了宇宙大尺度结构等九大研究领域，重点支持了兴隆等五大观测基地和28个创新研究团组，组织了国家天文观测中心首批首席研究员和研究员的公开招聘和聘任，开启了在中国天文学领域每年一度的“十大天文科技进展”评选工作，形成了较为利于科学创新的必要的规章制度。至此，中国科学院国家天文台已具雏形。

2001年3月27日，中央机构编制委员会办公室批复了中国科学院《关于组建中国科学院国家天文台的请示》，同意撤消中国科学院北京天文台，成立中国科学院国家天文台，将中国科学院南京天文光学技术研究所、中国科学院云南天文台、乌鲁木齐天文站、长春人造卫星观测站并入中国科学院国家天文台，事业编制总数由1002名减为957名；同时批复中国科学院陕西天文台更名为中国科学院国家授时中心，事业编制721人不变。中国科学院天文创新基地的布局由此初步完成。

2001年4月21日，中国科学院正式批准成立中国科学院国家天文台，规定国家天文台是院属具有独立法人资格的直属事业单位，与研究所同等级别。

国家天文台组建后，原北京天文台融入国家天文台，北京天文台的法人资格被撤消；云南天文台、乌鲁木齐天文站和长春人造卫星观测站一并整合到国家天文台，不再列为中国科学院直属事业单位，成为国家天文台下设机构，保留原级别并具法人资格；南京天文仪器研制中心转制为科技型企业，其中天文光学技术实验室改建为南京天文光学技术研究所，也成为国家天文台下设机构，具法人资格；撤消广州人造卫星观测站，将其70名编制划转中国科学院广州能源研究所；中国科学院紫金山天文台和上海天文台由于历史悠久承担着中国国家重大科技项目和课题，并在国际上有较大影响，继续保留中国科学院直属事业单位的法人资格，其主要学科方向、大型设备的运行和观测基地的建设受国家天文台宏观协调和指导。

2024年6月28日，嫦娥六号任务月球样品交接仪式在北京举行。交接仪式完成后，月球样品由地面应用系统转运队送至位于国家天文台的月球样品实验室。

截至2014年底，中国科学院国家天文台（总部）共有在职职工1268人，其中科技人员1203人、科技支撑人员399人（研究员及正高级工程技术人员175人、副研究员及高级工程技术人员309人），包括中国科学院院士7人、发展中国家科学院院士1人（中国科学院院士、发展中国家科学院院士和中国工程院院士数据均为2016年3月该研究所官网显示信息）、“西部之光”人才入选者92人；国家杰出青年科学基金获得者14人。

国家杰出青年科学基金获得者名单（名单不全）：武向平、赵刚、韩金林、颜毅华、陈学雷、张军、张枚、吴宏、张洪起

截至2014年底，中国国学院国家天文台（总部）建有七个中国科学院院重点实验室，并与二十余所大学、科研机构或高新技术企业建立了战略合作关系，成立联合研究中心或实验室；在中国河北兴隆，密云等地建有观测台站。中国科学院南美天文研究中心、月球与深空探测总体部依托在国家天文台。

中国科学院重点实验室：中国科学院光学天文重点实验室、中国科学院太阳活动重点实验室、中国科学院月球与深空探测重点实验室、中国科学院空间天文与技术重点实验室、中国科学院计算天体物理重点实验室、中国科学院天文光学技术重点实验室、中国科学院天体结构与演化重点实验室

观测台站具体分布地点：河北兴隆、密云、怀柔、昆明凤凰山、丽江高美谷、澄江抚仙湖、新疆南山、新疆奇台、新疆喀什、新疆乌拉斯台、西藏阿里、西藏羊八井、内蒙古明安图、吉林净月潭

中国科学院国家天文台（总部）图书馆位于国家天文台总部A座1楼，与天文科普厅连为一体，是以天文为主题，为天文科研教学服务、文献资料丰富的图书馆。根据2016年3月国家天文台官网显示信息，该图书馆馆藏6957册天文物理相关藏书，2795册（合订本）天文物理相关期刊。图书馆还设立有专门的数字图书馆，为科研人员提供数字文献。图书馆阅览室配备了有线及无线网络，设有计算机信息点和文献扫描打印设备供读者查阅获取文献使用。

截至2014年底，中国科学院国家天文台负责运行了国家大科学装置—郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱望远镜，LAMOST），负责在贵州省大窝凼组织实施国家大科学工程—500米口径球冠状主动反射面射电望远镜（FAST）的建设工作，并拥有2.16米光学望远镜、2.4米光学望远镜、50米射电望远镜、40米射电望远镜、25米射电望远镜、1米太阳塔等一批中等口径天文观测设备。

2001年国家天文台与德国马普射电天文研究所建立的中德射电天文伙伴研究小组；与美国大熊湖太阳天文台、德国马普太阳系研究所、俄罗斯科学院多个研究单位、法国墨冬天文台等长期太阳物理合作研究计划；2005年与欧洲空间局的“赫歇尔空间红外天文台”SPIRE载荷仪器签署了谅解备忘录，成为正式合作方；2005年与法国巴黎天文台签署全面合作协议；2005年与日本国立天文台、韩国天文与空间科学研究院、台湾中央研究院建立“东亚地区核心天文台联盟”；2006年国家天文台与阿根廷SanJuan大学天文台合作项目卫星激光测距仪在阿根廷正式投入观测运行；2006年中法两国签订了《关于合作执行SVOM任务的谅解备忘录》，国家天文台主持有效载荷科学论证，并将承担地面科学应用系统的建设任务；2007年与法国国家科研中心（CNRS）草签“中法宇宙起源联合实验室”协议；2007年参与中俄联合火星探测计划，国家天文台主要承担地面接收系统的任务和参与VLBI的测轨任务；中俄航天合作项目“世界空间紫外天文台（WSO-UV）”等；2008年与美国国立射电天文台签署了中美射电天文全面合作协议。

国家天文台与欧美日韩等多国天文研究机构签有各类合作协议20余项，建立了密切的合作关系，有经常性人员互访，并联合举办各类国际学术会议。2004年，国家天文台被认定为中国科学院与第三世界科学院奖学金学者培训基地。2001-2007年，国家天文台总部赴国外参加学术会议和访问合作共1364人次，接待来访的国外科学家1137人次。

2013年，中国科学院国家天文台共有在研项目803项（包括新增项目239项），其中承担国家重大科技专项课题16项（新增1项），主持财政部重大科研装备研制项目1项，主持（或承担）国家重点基础研究发展计划（973计划）和国家重大科学研究计划项目3项、承担（或参加）课题24项（新增9项），主持（或承担）国家高技术研究发展计划（863计划）项目、课题25项（新增9项），主持（或参加）国家科技基础性工作专项2项（新增1项）；主持科技部国际合作项目2项，主持（或承担）国家自然科学基金国家自然科学基金重大项目1项（新增1项），主持（参加）重大项目课题5项（新增3项）、重点项目16项（新增5项）、国家杰出青年科学基金项目4项（新增1项）、创新群体研究项目1项、面上项目114项（新增36项）、联合基金项目19项（新增4项）、青年科学基金项目142项（新增53项），主持中国科学院战略性先导科技B类专项1项（新增1项，其中主持项目2项、课题12项），主持（或承担）中国科学院战略性先导科技专项A类课题2项（新增1项），主持（或承担）院重点部署项目（原院知识创新工程重要方向项目）/课题26项（新增4项）、院级科研装备研制项目1项，承担院级国际合作项目3项（新增1项），承担院地合作项目35项（新增9项）；全年共发表学术论文642篇（含会议论文）、出版著作2部，全年新增专利受理44件、专利授权33件。

2014年，国家天文台共有在研项目1047项（包括新增项目371项），其中承担国家重大科技专项课题13项（新增1项）主持（或承担）国家重点基础研究发展计划（973计划）和国家重大科学研究计划项目3项（新增1项）、承担（或参加）课题17项（新增4项）主持（或承担）国家高技术研究发展计划（863计划）项目（含军口）20项（新增9项），主（或承担）国家科技基础性工作专项1项（新增1项）主持科技部国际合作项目2项（新增1项），主持（或承担）国家自然科学基金重大项目1项（新增0项）主持（参加）重大项目课题4项（新增1项）、重点项目8项（新增2项）、国家杰出青年科学基金项目6项（新增2681项）、创新群体研究项目1项、面上项目111项（新增32项）、联合基金项目17项（新增6项）、青年科学基金项目179项（新增61项），主持中国科学院战略性先导科技B类专项1项（新增0项，其中主持项目2项、课题12项），主持（或承担）中国科学院战略性先导科技专项A类课题14项（新增1项），主持（或承担）院重点部署项目19项（新增5项）、（科技部、国家自然科学基金委、财政部和院）重大仪器研制项目2项（新增1项），院级科研装备研制项目1项，承担院级国际合作项目4项（新增1项），承担院地合作项目39项（新增4项），国家天文台全年共发表学术论文774篇（含会议论文）、出版著作6部，全年新增专利受理78件、专利授权32件。

2019年5月16日，在嫦娥四号落月4个多月后，中国科学院国家天文台宣布，由该台研究员李春来领导的研究团队利用嫦娥四号探测数据，证明了月球背面南极-艾特肯盆地存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质——而此前，人们并不确定月球深处究竟有什么。国际学术期刊《自然》（Nature）在线发布了这一重大发现。该发现为解答长期困扰国内外学者的有关月幔物质组成的问题提供了直接证据，将为完善月球形成与演化模型提供支撑。

2022年8月，在第二届中国空间科学大会上，中国科学院国家天文台研究人员发布EP-WXT探路者观测到的首批天体宽视场X射线图像和能谱。这是国际上首次获得并公开发布的宽视场X射线聚焦成像天图。

2022年10月，中国科学院国家天文台利用中国天眼FAST进行成像观测，在致密星系群——“斯蒂芬五重星系”及周围天区，发现了1个尺度大约为两百万光年的巨大原子气体系统，也就是大量弥散的氢原子气体。这是迄今为止，在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。该成果于北京时间2022年10月19日23点在国际学术期刊《自然》杂志发表。

2022年10月，中国科学院国家天文台研究员李春来、刘建军领导的研究团队，证明嫦娥五号月壤的光谱特征主要是由其富含的富铁高钙辉石引起的，而非此前遥感探测推断的橄榄石富集。相关研究成果在线发表于《自然·通讯》杂志。

中国科学院国家天文台创办了拥有自主知识产权的国际核心英文学术期刊《Researchin Astronomy and Astrophysics》（RAA），还办有中文核心期刊《国家天文台台刊》、《天文研究与技术》和现代科普刊物《中国国家天文》。

《Researchin Astronomy and Astrophysics》（RAA）获2013年国家新闻出版广电总局颁布的“百强报刊”奖。

中国科学院国家天文台利用原有的专业天文设施、天文仪器设备的作用，把沙河站的天文观测区建设为国家天文台天文科普教育基地并对外开放，2002年科学技术部、中宣部、中国科协、中国科学院将该基地命名为“全国青少年科技教育基地”，2003年共青团中央、全国青联等单位联合命名为“中国青年科技创新行动教育基地”，2004年为北京市海淀区和朝阳区政府命名为“天文科普基地”。

截至2014年底，中国科学院国家天文台（总部）设有一个博士后流动站，1个一级学科学术学位博士研究生培养点，1个一级学科学术型硕士研究生培养点，二个全日制专业学位硕士研究生培养点。

博士后流动站：天文学

一级学科学术学位博士研究生培养点：天文学

一级学科学术型硕士研究生培养点：天文学

全日制专业学位硕士研究生培养点：光学工程、精密仪器及机械

截至2014年底，中国科学院国家天文台（总部）共有在学研究生495人（其中硕士生265人、博士生230人）、在站博士后58人。

2001年到2009年间，国家天文台毕业研究生为177人，其中博士生99，硕士生78人。研究生中多人获得各种省部级奖学金，其中获中国科学院院长奖学金特别奖2人、院长奖学金优秀奖8人、中国科学院冠名奖学金7人、2篇博士论文入选全国百篇优秀博士论文。在2004年的教育部学位与研究生教育发展中心组织的学科整体水平评估中，国家天文台获得全国天文学科排名第一的成绩。该台2006年培养的博士获COSPAR“青年学者杰出论文奖”。

中国科学院国家天文台台徽由天文台形象外弧和国家天文台的英文简称“NAOC”构成。

中国科学院国家天文台工会成立有国家天文台工会足球协会、研究生部成立有研究生会等各类协会，会定期举办职工运动会、足球比赛、棋牌比赛、广播操比赛、书画展览等文体活动。

在2015年5月21日，为贯彻落实《全民健身条例》，深入开展全民健身运动，营造“健康生活、快乐工作”的氛围，国家天文台工会在该台园区篮球场举办了第九套广播体操比赛，来自该全台8个分工会的8支参赛队共计120余人参加了该次比赛。

台长：刘继峰

党委书：汪洪岩

副台长： 赵公博、姜鹏

纪委书记：欧 云

副台长（兼）：赵长印、沈志强、 宫雪非、陈雪飞、周霞

国家天文台第一任台长：艾国祥

国家天文台第二任台长：严 俊

2023年12月4日，中国科学院国家天文台的中国天眼工程团队入选国家卓越工程师团队拟表彰对象。

2023年12月，国家天文台冷湖基地团队获评2023年“中国科学院年度团队”。

2024年1月，中国科学院国家天文台的中国天眼工程团队入选国家卓越工程师团队名单。