中国科学院国家天文台成立于2001年4月，系由中国科学院天文领域原四台三站一中心撤并整合而成，包括总部及4个直属单位，总部设在北京，直属单位分别是：云南天文台、南京天文光学技术研究所、新疆天文台和长春人造卫星观测站。紫金山天文台、上海天文台继续保留院直属事业单位的法人资格，为国家天文台的组成单位。
国家天文台坚持“三个面向”，在面向世界科技前沿方面，形成宇宙大尺度结构、银河系结构和演化历史、恒星和致密天体、系外行星、太阳物理等若干国际著名的卓越团队；在面向国家重大需求和面向国民经济主战场方面，成为国家空天安全等领域不可替代的重要“方面军”。将国家天文台建设成为世界一流水平的集（1）天文学前沿研究、（2）天文技术与方法创新及应用、（3）重大观测装置建造与运行、（4）国家月球与深空探测科学应用和国家空间碎片监测与应用，四位一体的综合性国立天文研究机构。三个重大突破为：银河系结构和化学-动力学演化，月球与深空探测和空间环境安全，优质建成 FAST 并成功运行、射电天文研究条件取得重大突破。五个重点培育方向为：星系宇宙学，恒星和致密天体，太阳活动与日地环境，先进望远镜与终端科学仪器关键技术，应用天文研究和产业化推广。
国家天文台为国家航天局空间碎片监测与应用中心、中国科学院天文大科学研究中心、中国科学院南美天文研究中心的依托单位，为中国科学院空间科学研究院的组建单位，以及中国科学院大学天文与空间科学学院的主承办单位。
国家天文台建有光学天文、太阳活动、月球与深空探测、空间天文与技术、计算天体物理、天文光学技术、天体结构与演化、FAST重点实验室等八个院重点实验室，并与二十余所大学、科研机构或高新技术企业建立了战略合作关系，成立联合研究中心或实验室。在河北兴隆，北京密云、怀柔，天津武青，昆明凤凰山，丽江高美谷，澄江抚仙湖，新疆南山、奇台、喀什、乌拉斯台、巴里坤，西藏阿里、羊八井，内蒙古明安图，吉林净月潭，贵州大窝凼等地建有观测台站。
国家天文台负责调试和运行国家重大科技基础设施—500米口径球面射电望远镜（FAST），运行和维护国家大科学装置—郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱望远镜，LAMOST)，拥有2.16米光学望远镜、2.4米光学望远镜、50米射电望远镜、40米射电望远镜、25米射电望远镜、1米太阳塔等一批天文观测设备。为加大设备共享程度，提高仪器设备运行水平，培养高水平技术与运维队伍，国家天文台成立中科院天文系统第一个所级中心，统筹仪器设备的共享与运行，于2017年获得了院择优支持。
截至2017年底，国家天文台共有在职职工1352人。其中科技人员1348人、科技支撑人员334人，包括研究员及正高级工程技术人员203人、副研究员及高级工程技术人员379人。
国家天文台现为天文学专业一级学科博士、硕士研究生培养点，设有天文学一级学科博士后流动站。截止到2017年年底，共有在学研究生279人；在站博士后34人；联合培养研究生36人；在册研究指导教师167人；研究生辅导员43人。
云南省天文学会、新疆维吾尔自治区天文学会分别挂靠云南天文台和新疆天文台。
国家天文台创办了拥有自主知识产权的国际核心英文学术期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》（RAA），还办有中文核心期刊《天文研究与技术》和现代科普刊物《中国国家天文》。
