El Real Observatorio de Madrid fue fundado por iniciativa de Carlos III a sugerencia de Jorge Juan. El edificio principal, diseñado por Juan de Villanueva, comienza a construirse en 1790 en una pequeña colina situada junto al actual Parque del Retiro, y a la vez, se encarga al célebre astrónomo W. Herschel la construcción de un telescopio reflector de 60 cm de diámetro.

El Edificio Villanueva alberga una gran biblioteca con numerosos libros antiguos y parte de la colección de instrumentos, como un círculo meridiano de Repsold de 1854, una colección de relojes de precisión y un espejo de bronce pulido por W. Herschel, que puede visitarse. Un péndulo de Foucault en la rotonda central ilustra la rotación diaria de la Tierra. El resto de la colección se visita en la Sala de las Ciencias de la Tierra y del Universo donde se expone instrumentación de interés histórico tanto del Observatorio como del Instituto Geográfico Nacional (IGN), organismo del que depende desde 1904.

También se puede visitar la reconstrucción del telescopio reflector de 60 cm de diámetro y 25 pies de distancia focal diseñado por Herschel para el observatorio entre finales del siglo XVIII y principios del XIX, que fue destruido en 1808 durante la ocupación napoleónica. 

Desde sus inicios, el Real Observatorio ha desempeñado funciones en los campos de la astronomía y las ciencias de la tierra (física solar y estelar, mecánica celeste, conservación oficial de la hora, geodesia, cartografía, geomagnetismo, sismología, meteorología). 

En la actualidad, alberga las sedes del Observatorio Astronómico Nacional y del Observatorio Geofísico Central. Durante las últimas décadas, el observatorio ha sido pionero en el desarrollo de la radioastronomía en nuestro país y de sus aplicaciones en los estudios de interés astronómico y geodésico. Así mismo, ha puesto en marcha el Centro de Recepción de Datos del nuevo servicio nacional de vigilancia y alerta volcánica. Estas y otras actividades se muestran en los videos que pueden verse durante la visita.