Nel 1817 la scuola venne trasformata in Accademia di Commercio e Nautica e trasferita nella nuova grande sede di palazzo Biserino, nell'odierna piazza Hortis. Un vero e proprio osservatorio astronomico, sebbene a interim, fu installato nel 1851; esso divenne stabile nel 1866 come istituto della marina mercantile, incorporando poco dopo anche la stazione meteorologica. Nel 1898 l'Osservatorio si staccò definitivamente dall'Accademia, diventò autonomo e, diretto da Ferdinand Anton, si trasferì in un grande edificio proprio in periferia della città. Si tratta del palazzo (detto castello) Basevi, tra il colle di San Giusto e quello di San Vito, dove l'Osservatorio tuttora risiede. Sotto la direzione di Eduard Mazelle fu arricchito di nuova, moderna strumentazione per l'astronomia, la sismologia e la meteorologia, comprendendo così nella sua attività lo studio del cielo, dell'aria e della Terra. Nel 1919 Trieste passò all'amministrazione italiana e così fece l'istituto, sotto la direzione di Luigi Carnera. Fu nuovamente inaugurato nel 1925 con un nuovo telescopio riflettore da 50 cm che però non fu possibile usare con profitto.
Nel 1932 il direttore Favaro tentò senza successo di trasferire l'Osservatorio in una località dell'altipiano, lontana dall'inquinamento luminoso della città; in conseguenza di tali difficoltà per molti anni furono condotte solamente osservazioni visuali, soprattutto a opera di Giovan Battista Lacchini durante la seconda guerra mondiale. Bombardato nel settembre 1944, l'Osservatorio fu ristrutturato e messo nuovamente in condizioni operative tra il 1947 e il 1952. Il nuovo direttore, Ettore Leonida Martin, ricoprì anche la cattedra di astronomia alla neonata Facoltà di Scienze della locale università. Subito dopo due nuovi ricercatori intraprendevano nuovi progetti di ricerca nel campo della fotometria fotoelettrica di stelle binarie.
La rinascita dell'Osservatorio continuò dopo il 1964 con il grande
sviluppo della strumentazione, della ricerca e del personale promossa da
Margherita Hack, nominata in quell'anno nuovo direttore. Fu iniziata la
costruzione di una stazione osservativa nuova, a Basovizza sul Carso triestino,
circa 400 metri s.l.m.. Nel 1967 vi furono installati un telescopio da 30 cm
Cassegrain e il vecchio riflettore da 50 cm Zeiss che nella sede cittadina
comunque non si sarebbe più potuto usare, entrambi attrezzati per
misure fotoelettriche delle stelle. Nel 1971 a questi strumenti si aggiunse
un grande telescopio Cassegrain da 1 m di diametro. Parallelamente, vi
vennero approntati strumenti per la ricezione di onde radio dai corpi
celesti, principalmente dal Sole. Il primo radiotelescopio (con antenna
a diedro) è del 1967, mentre due anni dopo venne montato un
paraboloide da 10 m di diametro, seguito nel 1970 da un interferometro
a base semplice di 73 m di lunghezza, operante alla lunghezza d'onda di
408 MHz. Un'attrezzata officina e dei laboratori di ottica ed elettronica
rendevano possibili la manutenzione e il miglioramento di tutti questi
strumenti. Nel corso degli anni '70 fu costruito un fotometro rapido a doppio
fascio controllato dal computer e un sistema di registrazione
ed elaborazione digitale dei dati del radiotelescopio.
La direzione passò nel 1987 a Giorgio Sedmak, che continuò
a promuovere lo sviluppo dell'istituto. Le risorse di calcolo elettronico
aumentarono considerevolmente, così come il personale assegnato dal
Ministero, che nel 1993 ha raggiunto la consistenza di 61 unità
(di cui 17 ricercatori), in
linea con quella degli altri maggiori osservatori astronomici italiani.
Numerosi programmi internazionali di ricerca sono stati intrapresi in questi
anni, sia per la costruzione di nuovi strumenti che per programmi
avanzati di osservazione da condurre insieme a prestigiosi istituti esteri
per mezzo dei più potenti telescopi.
Il 16 dicembre 2005 è stata inaugurata la nuova sede cittadina di villa Bazzoni che accoglie il Dipartimento di Astronomia dell'Università di Trieste.
La biblioteca dell'Osservatorio è ricca di circa 10.000 testi antichi e moderni e raccoglie i fascicoli di oltre 100 riviste specializzate. Alcune collane di contributi o periodici risalgono a più di centocinquant'anni fa.