Nach Erfindung des Teleskops 1608 entstanden die ersten Sternwarten im heutigen Sinne. Diese waren zunächst Teile physikalischer Kabinette, wie sie von Adligen und anderen Gönnern nach und während der Aufklärung unterhalten und gefördert wurden. Es handelte sich oft um ausgebaute Dachgeschosse, angebaute Türme oder dergleichen. Eigenständige Sternwartenbauten wurden oft als Türme ausgeführt, wie die Mannheimer Sternwarte.
In diese Zeit fällt zum Beispiel der Bau des Royal Greenwich Observatory 1675. Die erste Sternwarte nach Stjerneborg, bei der die Instrumente in ein ebenerdiges Gebäude gestellt wurden, war die Seeberg-Sternwarte, die 1790 in Betrieb genommen wurde. Diese frühen Observatorien widmeten sich überwiegend der Astrometrie (Bestimmung der Sternörter und Planetenbahnen) und dienten auch als Basispunkte der Navigation und Landesvermessung.
Für die Öffentlichkeit zugänglich wurden Observatorien erst durch den Bau von Volkssternwarten ab dem 19. Jahrhundert. Die erste Schulsternwarte Deutschlands wurde 1872 im ostsächsischen Bautzen gegründet.
Viele bedeutende Sternwarten in Mittel- und Nordeuropa wurde zwischen 1790 und 1830 gegründet, u. a. jene in Hamburg-Altona, München, Düsseldorf, Gotha, Leipzig, Halle, Königsberg und Dorpat; Russland und die USA zogen 1839 mit St.Peterburg-Pulkowa und Harvard nach. Diese Gründungswelle hängt v. a. mit den Erfolgen der Himmelsmechanik zusammen (Planetenbahnen, Kometen, Asteroiden, Doppelsternforschung, Sternkataloge), sowie der Entwicklung der Messtechnik. Demgegenüber sind die Universitätssternwarten in der Südhälfte Europas meist schon früher entstanden. Ein zweiter Gründungsboom ist um die Jahrhundertwende festzustellen und brachte die Entwicklung der Astrophysik – siehe u. a. Potsdam (astrophys. Inst.), Wien (Univ.- und Kuffnersternwarte), Zürich und die großen Observatorien der USA wie Yerkes, Lick und Lowell. Darunter waren auch einige für die Forschung bedeutende Privatsternwarten.
Für die Qualität der Beobachtung ist ein möglichst dunkler Himmel wichtig. Dennoch lagen bis zum Ende des 19. Jahrhunderts die meisten Sternwarten nahe oder sogar in Städten – auch um dem Geldgeber, im Allgemeinen dem lokalen Fürstenhof, nahe zu sein. Das Anwachsen der Städte und der damit verbundene Lichtsmog, der die Beobachtungen in zunehmendem Maß beeinträchtigte, führte im 20. Jahrhundert zu einem Ausweichen in immer abgelegenere und vom Lichtsmog noch nicht betroffene Gebiete wie etwa in Gebirgen, zunächst in näher gelegene Gebirge wie die Pyrenäen oder die Alpen und schließlich in Gebiete weit abseits größerer Ansiedlungen und mit klarer und ruhiger Luft, wie etwa auf dem Mauna Kea auf Hawaii oder in der Atacamawüste in Chile.
Gleichzeitig ermöglichte der technologische Fortschritt die Anfertigung immer größerer Teleskope, die immer schwächere Lichtmengen auffangen können und so Beobachtungen in immer größere Tiefen des Weltalls erlauben. Auch diese Instrumente gelangen durch die natürliche Luftunruhe an Grenzen. Leistungsfähige Adaptive Optiken sind zwar in der Lage, diesen Nachteil fast vollständig zu korrigieren, aber üblicherweise nur in sehr kleinen Bildfeldern. Ein Ausweg bot sich in der Konstruktion von Weltraumteleskopen, die Beobachtungen außerhalb des störenden Einflusses der Erdatmosphäre ermöglichen wie etwa das Hubble-Weltraumteleskop. Darüber hinaus wurden Weltraumteleskope entwickelt, um Beobachtungen in Spektralbereichen zu ermöglichen, die vom Boden aus unzugänglich sind, wie etwa im fernen Infrarot oder im Bereich der Röntgenstrahlung.
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