Наряду с астрономическими наблюдениями, Пулковская обсерватория играла главенствующую роль в основных геодезических работах России. Здесь была основана Пулковская геодезическая школа. Под руководством первого директора Пулковской обсерватории академика В. Я. Струве и при его непосредственном участии произвели самое выдающееся градусное измерение XIX в. – измерение дуги меридиана от Дуная до Северного Ледовитого океана. Протяженность этой дуги составила одну четырнадцатую часть земной окружности (две тысячи восемьсот километров), а сама дуга известна во всем мире под названием Дуги Струве. Для ее измерения на поверхности земли была построена триангуляционная сеть из двухсот пятидесяти восьми треугольников. Материальным свидетельством этой выдающейся работы является Малый Пулковский базис, обозначенный на местности к югу от главного здания обсерватории. Длина базиса составляла триста целых и сорок тысячных туазов, или сто пятьдесят метров. На местности его обозначили в виде вала, на концах которого располагались геодезические сигналы. Центр «сигнала А» является исходным пунктом единой астрономо-геодезической сети России. Астрономические методы определения географических координат были разработаны в Пулковской обсерватории и носят имена создателей – Делена, Цингера и Певцова. Обучение геодезистов в Пулково продолжалось до 1928 г.
С развитием науки и в соответствии с требованиями практики сфера деятельности обсерватории постепенно расширялась. В восьмидесятые годы XIX в. рядом с главным зданием построили три крупных здания – башню для нового тридцатидюймового рефрактора, астрофизическую лабораторию и обсерваторию Академии Генерального штаба. Башня рефрактора (1885, архитектор А.Ф. Видов, инженер Г.Е. Паукер) находилась к юго-западу от главного здания. Здесь установили крупнейший в мире рефрактор, механические части которого изготовила фирма Репсольд в Гамбурге, а превосходный объектив диаметром в тридцать дюймов создал знаменитый американский оптик А. Кларк. Астрофизическая лаборатория (1880 г.) размещалась к юго-востоку от главного здания. Обсерватория Академии Генерального штаба находилась к северо-востоку от главного здания. В настоящее время от нее сохранился лишь небольшой павильон – Морская башня.
Позднее на территории появились и другие наблюдательные павильоны: в 1893 г. – павильон для нормального астрографа, в 1904 г. – для зенит-телескопа. В 1908–1910 гг. возведена единственная на северо-западе России сейсмическая станция, основанная по инициативе князя Б.Б. Голицына, выдающегося геофизика и основателя сейсмометрии.
Ландшафтный историко-архитектурный комплекс Пулковской обсерватории, ведущая роль в формировании которого принадлежит архитекторам А.П. Брюллову и А.В. Щусеву, включает ансамбль зданий в стиле классицизма и неоклассицизма, парк, памятники истории развития науки, мемориальные памятники Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. Архитектура главного здания, павильонов, жилых и служебных построек объединена единством замысла. Важным приемом композиционного решения является применение акцентов в стиле классицизма – каннелированных колонных портиков, лепных барельефов, сандриков и стилизованных порталов, использование в планировке и декоре знаков зодиака, изображений астрономических инструментов и небесных тел, что придает комплексу особую выразительность.
Архитектурно-ландшафтная композиция Пулковской обсерватории играет роль градостроительной доминанты в формировании силуэта и панорамы южных районов Санкт-Петербурга. С Пулковской обсерваторией композиционно связаны Фонтан со сфинксами (на севере) и памятник Зеленого пояса Славы Ленинграда – мемориал в память обороны Ленинграда в 1941–1944 гг. «Пулковский рубеж», которые расположены у границ территории вдоль Пулковского шоссе.
Главная планировочная ось ансамбля – Меридианная дорожка, которая начинается от развилки Пулковского шоссе, Нижне-Койеровской дороги и Петербургского шоссе. Она подводит к входу в главное здание, уступами поднимаясь по крутому северному склону горы и огибая с двух сторон открытый газон на верхней террасе. Главное здание обсерватории с торжественно строгими фасадами в стиле позднего классицизма расположено на самом высоком месте парка, формируя центр объемно-пространственной и планировочной композиции. Купола, возвышающиеся над зданием, являются важным высотным ориентиром. Пятичастная структура протяженных фасадов симметрична Пулковскому меридиану, но несколько, почти незаметно смещена относительно Меридианной дорожки, направление которой к северу совпадает с восточным полотном Пулковского шоссе.