中国科学院国家天文台成立于2001年4月，由中国科学院天文领域原四台三站一中心撤并整合而成。国家天文台包括总部及4个直属单位，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。
国家天文台坚持面向国家战略需求和世界科学前沿，主要从事天文观测和理论以及天文高技术研究，并统筹我国天文学科发展布局、大中型观测设备运行和承担国家大科学工程建设项目，负责科研工作的宏观协调、优化资源和人才配置；重点研究领域有：宇宙大尺度结构、星系形成和演化、天体高能和激发过程、恒星形成和演化、太阳磁活动和日地空间环境、天文地球动力学、太阳系天体和人造天体动力学、空间天文观测手段和空间探测、天文新技术和新方法等。
国家天文台建有光学天文、太阳活动、天文光学技术和天体结构与演化等四个中国科学院重点实验室，并与十几所大学及研究机构建立了紧密合作关系，建立了多个联合研究中心或实验室。LAMOST工程指挥部和中国科学院探月工程总体部等均依托在国家天文台总部。
截至2010年底，国家天文台共有在职职工1062人。其中科技人员949人、科技支撑人员329人，包括中国科学院院士7人、中国工程院院士1人、第三世界科学院院士2人、研究员及正高级工程技术人员140人、副研究员及高级工程技术人员197人。中国科学院“百人计划”入选者29人、 国家杰出青年科学基金获得者9人，国家海外高层次人才引进计划（“”）入选者1人。
国家天文台设有天文学一级学科博士、硕士研究生培养点，现有在学研究生425人（其中硕士生239人、博士生186人）、在站博士后30人。
近年来，国家天文台承担了多项国家重大专项任务、大科学工程项目和国家战略高技术项目，先后主持了五项国家重点基础研究发展计划（973）项目。备受国内外瞩目的国家大科学工程“大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）”于2008年10月竣工并投入科学运行，2009年6月通过国家验收。“500米口径球面射电望远镜 （FAST）”于2008年12月在贵州奠基。2008年，国家天文台在基础研究领域，“通过元素丰度研究银河系化学演化”项目获得国家自然科学二等奖、宇宙第一缕曙光探测获得国家973项目资助，已结题973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”获得科技部表彰，一批科研论文成果获得国内外关注。在天文应用领域，启动了空间碎片监测预警二期工程并出色完成“神七”预警任务；完成基于通信卫星的卫星导航系统的关键应用试验，初步通过了国家重大专项论证。在空间科学研究领域，成功实施了嫦娥一期工程地面应用系统工程并发布月面影像图，承担了探月二期重要任务；主持研制长缝光谱仪参与世界空间紫外天文台（WSO-UV）获得国家863计划支持；以科学应用总体参与推动中法合作SVOM卫星计划，通过技术评审，立项在即；国家天文台还承担了载人航天工程等重大任务，确立了国台系统在空间科学研究和探索领域的优势地位。
截至2010年底，国家天文台先后获得国家奖8项，其中国家科技进步奖特等奖1项、国防科技进步奖特等奖1项、国家自然科学奖二等奖4项、国家科技进步奖二等奖2项；获省部级一等奖19项。
国际合作与交流工作继续保持良好的发展势头，有效促进了我科技创新能力建设。2010年，国家天文台获院“外国专家特聘研究员”计划资助7人，“外籍青年专家”计划资助2人，组织召开5个国际学术会议。执行科学技术部、国家自然科学基金委员会和中国科学院重大国际合作项目取得显著进展：与国际三十米望远镜（TMT）项目国际董事会签署合作谅解备忘录，参与该项目核心技术系统研发；中阿激光测距仪继续保持良好运行状态，技术升级改造工作进展顺利；参与国际赫谢尔红外空间天文台科学仪器在轨运行管理，研究计划获得观测机时；中法合作伽玛射线暴望远镜（SVOM）等完成科学目标立项论证。此外与日本国立天文台、韩国天文与空间科学所和台湾中研院天文研究所续签东亚“核心天文台合作协议”。全年出访人员322人，来访人员275人。
国家天文台系中国天文学会团体会员单位，创办了拥有自主知识产权的国际核心英文学术期刊Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics（ChJAA，2005年起被收录于SCI）。国家天文台还办有中文核心期刊《国家天文台台刊》和现代科普刊物《中国国家天文》。
北京天文台（国家天文台总部前身）成立于1958年，是国务院学位委员会批准的首批学位授予单位之一，是天文科博士后流动站设站单位。
1999年4月16日，中国科学院决定在院属五台三站一中心的基础上，批准组建“国家天文观测中心”。其中的“五台”分别是：北京天文台、上海天文台、紫金山天文台、云南天文台和陕西天文台；“三站”分别是：乌鲁木齐站、长春人卫站和广州人卫站；“一中心”是南京天文仪器中心。“国家天文观测中心”组建后，原陕西天文台成为现在的国家授时中心，广州人卫站并入广州能源研究所。
同年4月23日，国家天文观测中心（北京天文台作为其总部所在地）举行成立大会和挂牌仪式。5月19日，艾国祥被任命为国家天文观测中心主任。
2001年4月21日，中国科学院正式批准成立国家天文台。国家天文台由总部及云南天文台、南京天文光学技术研究所、乌鲁木齐天文站和长春人造卫星观测站等单位组成，总部设在北京。
