Сложное в плане одно-двухэтажное здание на подвалах с протяженными фасадами и тремя башнями сохранило первоначальную структуру: капитальные исторические конструкции, архитектурное оформление. Оно образовано пятью крупными объемами, поставленными по прямой линии и в широтном направлении объединенными переходами. Мощные фундаменты с подвалом глубиной около десяти метров связаны с конструкциями опор под телескопами.
Центральная часть решена в виде трех прямоугольных в плане павильонов, вытянутых вдоль меридиональной оси. Одноэтажные, они завершены антресолями, треугольными фронтонами и двухъярусными башнями со сферическими куполами, и соединяются между собой двумя одноэтажными меридианными залами. Ядром композиции и главной высотной доминантой служит средний павильон со срезанными углами на главном северном фасаде. Он акцентирован дорическим портиком «в антах» из двух каннелированных колонн, вырезанных из известняка, и ведущей к нему лестницей. Портик завершен фризом с метопами и триглифами и треугольным фронтоном. Идентично решенные боковые павильоны обработаны пилястровыми портиками, в их нишах по проекту А.В. Щусева (скульпторы Л.Ю. Эйдлин и Л.Н. Барбаш) помещены вместо прежних статуй античных богинь скульптуры Н. Коперника (с западной стороны) и Г. Галилея (с востока), удачно символизирующие астрономическую науку новейшего времени. Утраченные во время войны завершения башен воссозданы с заменой первоначальных деревянных конструкций барабанов на кирпичные, сделаны полусферические купола. Меридианные залы (воссозданы на сохранившихся подвалах) завершены двускатными крышами, стены выполнены из раздвижных металлических конструкций. Здание сохранило исторические функции и используется в научных целях по первоначальному назначению. Здесь находятся комнаты для научной работы ученых, административные и жилые помещения. В интерьерах музея, библиотеки, конференц-зала, кабинета директора воссоздана парадная художественная отделка и мебель.
Северный склон Пулковской горы занимает запущенный район старого пейзажного парка XVIII в. В его массиве выделяются кроны столетних дубов, вязов, лип, природный рельеф изрезан оврагами, дорожки сохранились частично. Меридианная дорожка, ведущая к портику главного здания, разделяет этот район парка на два участка. На северо-восточном участке в старом парке расположены фонтан Грот и мемориальное кладбище астрономов. На северо-западном участке находятся пейзажная «Тиховская» дорога, проходящая по бровке оврага, и Петровская горка.