W 1827 roku cesarz Mikołaj I zatwierdził utworzenie nowego obserwatorium astronomicznego. Nie byłoby tak duże jak to w Petersburgu – Obserwatorium Akademickie w Petersburgu, ale Rosyjska Akademia Nauk chciała innej lokalizacji poza miastem, która oferowałaby lepsze warunki dla astronomii.
Powołano komisję w celu poszukiwania odpowiedniej lokalizacji dla obserwatorium. Wybrane przez nich miejsce znajdowało się na szczycie góry Pułkowo, 19 kilometrów (prawie 12 mil) na południe od centrum miasta St Peterburg.
Po wybraniu lokalizacji w 1833 r. utworzono komitet naukowców, którego zadaniem było dalsze rozwijanie projektu. Przewodniczącym tej komisji był admirał A.S. Greig, który zbudował już obserwatorium w Nikołajewie.
Projekt obserwatorium powierzono rosyjskiemu architektowi Aleksandrowi Bryulłowowi. Budowę rozpoczęto w czerwcu 1835 r., a oficjalne otwarcie odbyło się w sierpniu 1839 r. pod kierunkiem astronoma Freidricha Georga Wilhelma von Struve, który był pierwszym dyrektorem.
Całkowity koszt obserwatorium do czasu jego ukończenia oszacowano na 2 100 500 rubli (około 33 milionów dolarów amerykańskich w dzisiejszych pieniądzach).
Początkowo obserwatorium składało się z głównego budynku z trzema wieżami i dwoma domami mieszkalnymi dla astronomów. Na początku obserwatorium pracowało osiem osób, a czterech astronomów współpracowało ze Struve.
Główne obszary prac podejmowanych w obserwatorium obejmowały pozycjonowanie gwiazd, parametry astronomiczne, załamanie światła w atmosferze oraz badania gwiazd podwójnych. Tworzył także dokładne katalogi gwiazd na kilka lat, między 1845 a 1930 rokiem.
Obserwatorium przeprowadziło jednak także badania geologiczne Rosji, aby pomóc w opracowaniu pomocy nawigacyjnych. Południk Pułkowo, który przechodzi przez środek głównego budynku, był używany jako podłużny punkt odniesienia na wszystkich ówczesnych mapach rosyjskich.
W 1857 roku personel obserwatorium powiększył się do 13 osób. Oprócz dyrektora był teraz wicedyrektor, starsi i współpracownicy astronomów oraz sekretarz naukowy.
Kiedy w drugiej połowie XIX wieku w Lizbonie zbudowano obserwatorium, pracujący tam pracownicy zostali przeszkoleni w Obserwatorium w Pułkowie. Nawet sam budynek w Lizbonie bazował na Obserwatorium w Pułkowie, a Struve był głównym konsultantem.
W 1884 roku założono Muzeum Obserwatorium w Pułkowie, w którym wystawiono ponad 100 instrumentów astronomicznych. Obejmowało to refraktor Merz i Mahler używany w obserwatorium; był to wówczas największy refraktor na świecie, którego średnica soczewki wynosiła 15 cali (380 mm).
W tym czasie w obserwatorium nie używano już 15-calowego obiektywu, ponieważ w 1878 roku zainstalowano nowy, mierzący 30 cali (760 mm). Przez dziesięć lat ta druga soczewka była największą soczewką refrakcyjną w Europie.
W 1894 roku Obserwatorium w Pułkowie uzyskało również astrograf, który umożliwił badaczom fotografowanie nocnego nieba, gwiazd i wydarzeń na niebie.
W 1913 roku asteroida została nazwana na cześć Obserwatorium Pułkowo, kiedy została odkryta przez Grigorija Neuimena w Obserwatorium Simeiz, oddziale Obserwatorium Pułkowo.
Na początku II wojny światowej wiele budynków zostało zniszczonych w wyniku nalotów, gdy Niemcy obrali za cel obserwatorium. Na szczęście uratowano wiele najważniejszych elementów wyposażenia, a także znaczną liczbę książek bibliotecznych.
Część pracowników obserwatorium wyruszyła na front, część ewakuowano do Obserwatorium w Taszkencie i Ałma-Aty, gdzie w 1941 roku powstał Instytut Astronomii i Fizyki.
Po wojnie podjęto decyzję o przywróceniu obserwatorium. W rezultacie Góra Pułkowo została oczyszczona i rozpoczęto budowę nowych budynków pod przewodnictwem architekta Szczuszewa, który nawiązał do zapisów archiwalnych dotyczących poprzednich projektów Bryulłowa.
W 1954 roku obserwatorium ponownie otworzyło swoje podwoje, tym razem z większą liczbą zarówno przyrządów pomiarowych, jak i specjalistów. Ponadto utworzono kilka nowych wydziałów, m.in. wydział radioastronomii.
Pełna renowacja muzeum trwała do 1967 roku, choć w tym czasie funkcjonowało. Wiele eksponatów zaginęło podczas wojny, ale współcześni zwiedzający nadal mogą zobaczyć sprzęt komputerowy, optykę teleskopów z XIX i XX wieku, zegary astronomiczne i portrety astronomów z przeszłości.
W 1990 roku Obserwatorium Pułkowo zostało uznane za część chronionego przez UNESCO miejsca znanego jako Historyczne Centrum Sankt Petersburga i powiązane grupy zabytków.
W 1998 roku dekret prezydenta zapewnił włączenie obserwatorium do Państwowego Kodeksu szczególnie cennych obiektów dziedzictwa kulturowego narodów Federacji Rosyjskiej.
W 1945 r. wokół obserwatorium utworzono strefę parku ochronnego o długości 3 km (1,8 mil), tak aby w pobliżu nie można było podejmować żadnych projektów przemysłowych ani dużych projektów mieszkaniowych.
Każda budowa, która miała miejsce, musiała zostać przeprowadzona zgodnie z Dyrekcją Obserwatorium w Pułkowie. Jednak w październiku 2016 roku nowy dyrektor Obserwatorium Pułkowo zawarł umowę na istotne prace budowlane w strefie chronionej. Kiedy wyszło na jaw, wielu sprzeciwiało się takiemu rozwojowi sytuacji i w styczniu 2017 r. Federalna Agencja Organizacji Naukowych ogłosiła, że takie zatwierdzenie jest nielegalne.
Przyszłość Obserwatorium Pułkowo jest niepewna. W momencie budowy była to doskonała lokalizacja. Jednak wraz z rozwojem Petersburga niebo wokół obserwatorium cierpi z powodu zwiększonego zanieczyszczenia światłem.
Ponadto wibracje spowodowane większym natężeniem dużego ruchu w pobliżu zakłócają delikatne odczyty podejmowane w obserwatorium.
W związku z tym, pomimo początkowego sprzeciwu, Prezydium Rosyjskiej Akademii Nauk zdecydowało, że obserwacje astronomiczne podejmowane przez Obserwatorium w Pułkowie będą stopniowo przenoszone do innych obserwatoriów, które w ciągu pięciu lat miały korzystniejsze warunki astroklimatyczne.
W 2018 roku obserwatorium zatrudniało 282 osoby. Obserwatorium jest otwarte dla publiczności i prowadzi wycieczki i pogadanki. Szacuje się, że rocznie odwiedza je około 15 000 osób.
Poniższe zdjęcia przedstawiają opuszczone pawilony na terenie Obserwatorium Pułkowo. Przy jednym z tych pawilonów znajduje się również niedokończony teleskop.
Nie wiadomo, dlaczego pawilony zostały opuszczone, ale w związku z powolnym odbieraniem mu prac obserwatorium w miarę dalszego rozwoju Petersburga, pawilony te wydają się smutnym przeczuciem tego, co ma nadejść.