センターは、国立天文台の基盤となる観測業務活動を支援する組織である。
天文データセンター
天文科学関連データベースの国内外との連携センター（各国中央天文台との協定の締結によって、天文学データベースの相互利用の推進を実施）。
JVOプロジェクト
各国の天文台にて運用が行われている天文学データベースをインターネットによって統合するヴァーチャル天文台プロジェクト。波長の壁を超えて統一的に解析できる新しい天文学研究基盤ソフトウエアの開発研究を目指している。
先端技術センター
次世代の天体観測機器についての開発研究を手がけている。
天文情報センター
天体科学に関連する広報普及活動を担当し、観測成果や天体現象などの情報を対外的に発信している。彗星や小惑星の発見など天体科学に関する情報を受付け、観測研究成果の確定作業を行っている[25]。
広報室
天体科学に関連する広報を実施[25]。
普及室
天体科学関連の教育、技術等の普及を実施[25]。
周波数資源保護室
天文観測環境の保護を実施[25]。
暦計算室
暦の算定ならびに提案を実施[25]。
図書係
国立天文台図書室の管理を実施[25]。
出版室
国立天文台の各種刊行物の編集・刊行を実施[25]。
国際普及室（OAO）
国際天文学連合 (IAU) と国立天文台の協力事業として、天文情報と天文学コミュニケーションの充実を通じて一般の方々への普及を実施[25]。
天文保時室
国家事業として、中央標準時の決定及び報時に関する事業を実施。2023年3月現在は水沢キャンパスで運用しているが、徐々に三鷹に移設しようとしている[25]。
石垣島天文台
現地の団体と連携して運営し、天文学のアウトリーチを実施[25]。
科学研究部

研究者の自由な発想に基づく研究を行う組織。科学研究部に所属する研究者は、望遠鏡運用や装置開発の義務を負わず、天文学研究に集中することができる。観測波長及び研究手法の違いに基づいて「光赤外研究部」「電波研究部」「太陽天体プラズマ研究部」「理論研究部」の4研究部が設置されていたが、多波長天文学の進展などの情勢を受け、2019年4月に4研究部が統合されて科学研究部となった[26]。
終了したプロジェクト
野辺山太陽電波観測所 （長野県南佐久郡南牧村）
太陽電波観測の草分けである観測所。国立天文台による運用は2015年3月31日をもって終了し、主力装置であった電波ヘリオグラフは名古屋大学を中心とした国際コンソーシアムが運用を行っている[27]。
岡山天体物理観測所（岡山県浅口市鴨方町）
日本における光学スペクトル観測の発祥の地。国立天文台のプロジェクトとしては2018年3月31日に運用を終了した[28]。その後は、国立天文台ハワイ観測所岡山分室として、京都大学3.8m望遠鏡の共同利用運用を行っている。
乗鞍コロナ観測所 （長野県松本市安曇）
日本において国産かつ国内初のコロナグラフが設置された観測所。老朽化により2010年3月31日に閉鎖されたが、2011年度より自然科学研究機構乗鞍観測所として天文学に限らない科学研究の場として使用が再開された。
太陽系外惑星探査プロジェクト室

大学院教育

総合研究大学院大学を構成する機関として、大学院博士5年一貫課程・博士後期課程の教育を行っている。
施設の公開

各観測所では一部施設内を一般公開しており見学できる。三鷹では天文台歴史館や展示室など日本の天体観測や天文台の歴史、近況などがわかるように見学コースが設けられている。他、国立天文台では現在、植生保全に取り組んでおり、三鷹の敷地内の一部では立ち入りや動植物の採取を禁止している。そのため現在の三鷹周辺ではほとんど見られない手付かずの自然を見られ、天文台移転前の三鷹の面影を垣間見ることができる。
文化財1903年（明治33年）にフランスで制作され輸入されたゴーチェ子午環。1921年（大正10年）に完成した第一赤道儀室（三鷹キャンパス）。国の登録有形文化財に登録。1930年（昭和5年）に完成した太陽望遠鏡（通称「三鷹のアインシュタイン塔」）。国の登録有形文化財に登録。
重要文化財


子午儀 - レプソルド子午儀

本体、支持機構、集心儀、反転機、附 水準器


登録有形文化財


旧臨時緯度観測所本館 - 現在は木村栄記念館として運営を行っている

旧臨時緯度観測所眼視天頂儀室

旧臨時緯度観測所眼視天頂儀目標台および覆屋

旧緯度観測所本館

太陽分光写真儀室 - 通称、太陽塔望遠鏡、アインシュタイン塔

大赤道儀室

第一赤道儀室

旧図書庫

子午儀資料館

ゴーチェ子午環室