Obserwatorium powstało w 1891 roku z inicjatywy papieża Leona XIII. Pierwotnie znajdowało się w sąsiedztwie bazyliki św. Piotra. Zadaniem obserwatorium miało być pokazanie, że kościół katolicki wspiera rozwój nauki oraz że wiara i nauka wzajemnie się uzupełniają. W następnych latach kolejni papieże w różnym stopniu wspierali działalność Obserwatorium. Obserwatorium zatrudnia jezuitów, stanowi również jedną z pierwszych instytucji astronomicznych na świecie, które zatrudniało kobiety. Na początku XX wieku zostały zatrudnione siostry zakonne Emilia Ponzoni, Regina Colombo, Concetta Finardi i Luigia Panceri, które zajmowały się analizą zebranych zdjęć i obliczeniami.
W związku z rosnącym zanieczyszczeniem świetlnym w 1932 roku w Castel Gandolfo rozpoczęto budowę nowego obserwatorium. Nowa siedziba została oddana do użytku kilka lat później. Badania za pomocą dostarczonego w 1957 roku teleskopu Schmidta zarzucono na początku lat 80. w związku z zanieczyszczeniem świetlnym, uniemożliwiającym prowadzenie dalszych badań. W 1981 roku Watykańskie Obserwatorium Astronomiczne powołało w Obserwatorium Stewarda Arizona University instytucję naukową Vatican Observatory Research Group (VORG), które miało prowadzić badania naukowe, uniemożliwione przez rosnące zanieczyszczenie świetlne w Rzymie.