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.

Molėtų Astronomijos observatorija priklauso VU Teorinės fizikos ir astronomijos institutui. Joje astronominius stebėjimus gali atlikti visi pageidaujantys Lietuvos astronomai, aukštųjų mokyklų studentai doktorantai, bei kolegos iš užsienio mokslo centrų. Observatoriją kasmet aplanko šimtai ekskursijų, kurių dalyviai supažindinami su dangaus pažinimo raida, Lietuvos ir pasaulio astronomijos naujienomis, teleskopais, nuostabaus grožio spalvotomis planetų, žvaigždžių, ūkų, spiečių, galaktikų nuotraukomis.

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.