Dangaus kūnams tirti reikia giedro ir gryno oro bei tamsaus dangaus. Tiek senoji Vilniaus universiteto observatorija (įkurta 1753 metais), tiek ir Vilniuje, šalia Vingio parko esanti universiteto observatorija (įkurta 1921 metais) pamažu atsidūrė miesto ribose, todėl teko ieškoti naujos vietos. Vieta naujai observatorijai buvo parinkta Molėtų rajone 70 km į šiaurę nuo Vilniaus, ant Kaldinių kalvos (200 m virš jūros lygio) šalia mažo Kulionių kaimo (apie 10 km nuo Molėtų).
1969 metų rudenį buvo sumontuotas 25 cm skersmens Kasegreno sistemos teleskopas, surinktas iš Vilniaus universiteto observatorijoje buvusių kelių teleskopų liekanų. 1970 m. pavasarį šiuo teleskopu buvo pradėti fotometriniai žvaigždžių tyrimai. 1974 m. žvaigždžių šviesą išvydo 63 cm teleskopas refraktorius. 1975 m. 25 cm reflektorius buvo pakeistas naujai nupirktu 35/51 cm skersmens Maksutovo sistemos fotografiniu teleskopu. 1975-1977 m. pastatytas observatorijos administracinis pastatas su laboratorijomis, moksline biblioteka, konferencijų sale ir viešbučiu. 1991 m. pradėtas darbas nauju 165 cm teleskopu reflektoriumi - didžiausiu teleskopu ne tik Lietuvoje, bet ir visoje šiaurinėje Europoje.
Observatorija priklauso Teorinės fizikos ir astronomijos institutui. Be šio instituto astronomų, čia dirba Fizikos instituto, Vilniaus universiteto ir Vilniaus pedagoginio universiteto mokslininkai, dėstytojai, doktorantai ir studentai. Observatoriją kasmet aplanko šimtai ekskursijų, kurių dalyviai supažindinami su Lietuvos ir pasaulio astronomijos naujienomis, teleskopais, nuostabaus grožio spalvotomis planetų, žvaigždžių, ūkų, spiečių, galaktikų nuotraukomis. Kartais pavyksta rasti galimybę pažvelgti į dangaus kūnus ir pro teleskopą.
Ant observatorijos pietinės sienos įrengtas Saulės laikrodis. Netoli teleskopų bokštų yra šventųjų mitologinių akmenų rinkinys. Tai dubenuotieji akmenys, senovėje naudoti saugoti gydomajam Perkūno vandeniui. Observatorijos languose įrengti B. Bružo sukurti vitražai astronomine tematika. Ant gretimos Kapelių kalvos įsikūręs Etnokosmologijos muziejus, kuriame lankytojai gali susipažinti su istoriniais ir etnografiniais eksponatais, atspindinčiais žmonių pažiūras į dangų ir pasaulį.