O Real Observatório de Madrid foi fundado por iniciativa do monarca Carlos III, por sugestão de Jorge Juan. O edifício principal, da autoria de Juan de Villanueva, comeóu a construir-se em 1790, numa pequena colina situada junto ao atual Parque de El Retiro, encomendando-se ao astrónomo W. Herschel a construção de um telescópio refletor de 60 cm de diâmetro.

O Edifício Villanueva alberga uma vasta biblioteca, que inclui numerosos livros antigos e uma parte da coleção de instrumentos exposta ao público, como um círculo meridiano de Repsold de 1854, uma coleção de relógios de precisão e um espelho de bronze polido por W. Herschel. Um pêndulo de Foucault no vestíbulo central demonstra a rotação diária do nosso planeta. O resto da coleção pode contemplar-se na Sala das Ciências da Terrra e do Universo, e inclui vários instrumentos de interesse histórico do Observatório e do Instituto Geográfico Nacional (IGN), organismo do qual depende desde 1904.

Os visitantes também podem contemplar uma réplica do telescópio refletor de 60 cm de diâmetro 25 pés de distância focal concebido pelo célebre astrónomo William Herschel para o observatório, entre finais do século XVIII e inícios do século XIX, e que foi destruído em 1808 durante a ocupação napoleónica.

Desde os seus começos, o Real Observatório desempenhou funções nos campos da astronomia e das ciências da terra (física solar e estelar, mecânica celeste, conservação oficial da hora, geodesia, cartografia, geomagnetismo, sismologia e meteorologia).

Atualmente o edifício alberga as sedes do Observatório Astronómico Nacional e do Observatório Geofísico Central. Durante as últimas décadas, o observatório foi pioneiro no desenvolvimento da radioastronomia no nosso país, e das suas aplicações em estudos de interesse astronómico e geodésico. O observatório criou ainda o Centro de Receção de Dados do novo serviço nacional de vigilância e alerta vulcânico. Estas e outras atividades podem ser conhecidas através dos vídeos em exibição durante a visita.