Il Real Observatorio di Madrid fu fondato su iniziativa di Carlo III seguendo il suggerimento di Jorge Juan. La costruzione dell’edificio principale, progettato da Juan de Villanueva, iniziò nel 1790 su una piccola collina situata accanto all'attuale Parco del Retiro, mentre allo stesso tempo, l'astronomo W. Herschel fu incaricato di realizzare un telescopio riflettore con un diametro di 60 cm.

L’Edificio Villanueva ospita una grande biblioteca con numerosi libri antichi e parte della collezione di strumenti, tra cui un cerchio meridiano di Repsold del 1854, una collezione di orologi di precisione e uno specchio di bronzo lucidato da W. Herschel, che si può visitare. Un pendolo di Foucault nella rotonda centrale illustra la rotazione quotidiana della Terra. Il resto della collezione si può ammirare nella Sala delle Scienze della Terra e dell’Universo, dove è esposta la strumentazione di interesse storico sia dell'Osservatorio che dell’Instituto Geográfico Nacional (IGN), ente da cui dipende dal 1904.

È inoltre possibile visitare la ricostruzione del telescopio riflettore di 60 cm di diametro e 25 piedi di lunghezza focale progettato dal famoso astronomo William Herschel per l'osservatorio tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo, che fu distrutto nel 1808 durante l'occupazione napoleonica. 

Fin dai suoi inizi, il Real Observatorio è stato attivo nei campi dell'astronomia e delle scienze della terra (fisica solare e stellare, meccanica celeste, ora esatta ufficiale, geodesia, cartografia, geomagnetismo, sismologia, meteorologia). 

Attualmente ospita la sede dell'Osservatorio Astronomico Nazionale e l'Osservatorio Geofisico Centrale. Durante gli ultimi decenni, l'osservatorio ha anticipato i tempi nello sviluppo della radioastronomia nel nostro paese e delle sue applicazioni negli studi di interesse astronomico e geodetico. Ha anche istituito il Centro di Ricezione Dati del nuovo servizio nazionale di monitoraggio e allarme vulcanico. Queste e altre attività vengono mostrate nei video che si possono vedere durante la visita.