Закладка зданий обсерватории была произведена 7 марта 1899 года. Комплекс строится в 20 км от Казани, в 1898–1901 гг., по проекту архитектора Ф.М. Малиновского, под руководством Д.И. Дубяго (первый директор АОЭ с 1901 по 1918 г.г.). Участок казённой Красногорско-Туринской дачи, выбранный для строительства, располагался в то время в 20 км от Казани, недалеко от железнодорожной станции Лаврентьево (переименованной вскоре после строительства в станцию Обсерватория) «Самая станция железной дороги, по ходатайству директора обсерватории, распоряжением г. министра путей сообщения, с 1 июня 1901 года переименована и названа „Обсерватория“, в знак лежащей при этой станции астрономической обсерватории Казанского университета; с 29 июня переименование это введено фактически» (из архивных документов АОЭ). Средства были выделены из Государственного казначейства 4 июля 1898 г. Общий замысел комплекса принадлежит директору Казанской обсерватории, впоследствии ректору Казанского Императорского университета профессору Дмитрию Ивановичу Дубяго и доктору астрономии и философии, владельцу астрономической обсерватории в Дрездене Василию Павловичу Энгельгардту, пожертвовавшему в 1897 году инструменты своей частной обсерватории в Дрездене Казанскому университету. Он передаёт в дар главнейшие инструменты его обсерватории: 12-дюймовый рефрактор Грубба, 6-дюймовый кометоискатель, 4-дюймовый малый кометоискатель, пассажный инструмент Бамберга, универсальный инструмент Фенеля, часы Кноблиха и часы Тиде и ряд других малых инструментов и приборов, а также и его довольно значительную библиотеку до 2000 томов. Строительство велось по проекту казанского архитектора-гражданского инженера Ф.М. Малиновского. Торжественное открытие состоялось 21 сентября 1901 г. (по старому стилю 8 сентября 1901 г.) Загородный ансамбль задуман как живописный парк с неоклассическими павильонами. Вписанные в ландшафт сооружения служат укрытием для астрономических инструментов и одновременно сами являются астрономическими объектами, неразрывно связанными с рукотворными элементами ландшафта. Расположенные по оси запад — восток павильон рефрактора, здание обсерватории, павильон меридианного круга и перпендикуляр, заданный северной и южной мирами, создают смысловую и композиционную основу, которой подчинены все остальные составляющие комплекса. Уникальное сооружение южной миры представляет собой холм-усыпальницу, в которой покоится прах двух создателей загородной обсерватории — её директора Д. Дубяго и В. Энгельгардта, одновременно обеспечивающее точность проводимых измерений.
Осенью Д.И. Дубяго было проведено первое наблюдение на экваториале, согласно желанию В.П. Энгельгардта Всего до конца года было получено 3 полных наблюдения кометы Perrine (1902 III) М.А. Грачевым и 1 наблюдение В.А. Барановым. В этом году приступили к составлению систематического каталога библиотеки обсерватории, в которую вошли пожертвованные обсерватории библиотеки: В.П. Энгельгардта, А.М. Ковальского и Д.И. Дубяго.
Новая астрономическая обсерватория Казанского Университета по ходатайству Совета Университета, основанному на представлении физико-математического факультета, с 24 декабря 1903 года получила наименование Энгельгардтовской в честь доктора астрономии В.П. Энгельгардта, «содействовавшего её утверждению и обеспечившего её будущность». Систематические наблюдения на меридианном круге в Энгельгардтовской обсерватории были начаты в 1903 году М.А. Грачёвым. На Энгельгардтовском экваториале (телескоп рефрактор) М.А. Грачевым и В.А. Барановым поочерёдно велись наблюдения переменных звёзд, планет и комет, а также двойных звёзд по списку В.П. Энгельгардта. Меридианный круг, после установки с 1 декабря был передан М.А. Грачеву для наблюдений. На нем были начаты подготовительные наблюдения к выполнению большой работы по определению широты и исследованию рефракции. Наблюдались и случайные явления: затмение Луны, покрытия звёзд и пр.
Построена южная мира-часовня. Она исполнена по плану архитектора Мюфке в русском церковном стиле, имеет остов железной конструкции и покрыта снаружи и внутри волнистым железом. Столб, поддерживающий миру, имеет глицериновую изоляцию от свода-пола. Над входной дверью, с восточной стороны, в нише, перед образом св. Василия Парийского, в своё время будет гореть неугасимая лампада. В мае 1905 Д.И. Дубяго внесена особая сумма в Правление Университета, обеспечивающая на вечные времена содержание этой лампады.
В 1908 году для телескопа Гелиометр был построен каменный павильон с вращающимся куполом сферической формы. Купол изготовлен из корабельной стали и обшит оцинкованным листовым железом толщиной 1 мм с прокладкой внутренней стороны его изоляционным слоем из картона. Диаметр внутренней части помещения составляет 3.6 метра. Для наблюдений в куполе имеется люк с открывающимся в одну сторону сектором. Вращение купола производится механическим приводом. Гелиометр установлен на кирпичном столбе, нижняя часть которого выложена в каменном подвале глубиной 2.6 метра. Столб имеет цилиндрическую форму с продухами внутри. Такая форма столба способствует хорошей устойчивости инструмента, что важно в позиционных наблюдениях. Гелиометр был изготовлен Репсольдом, известным конструктором астрономической техники, в Гамбурге в 1874 году. Это один из первых гелиометров, вышедших из мастерских Репсольда. Первоначально этот телескоп предназначался для наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца. Но после использования казанского гелиометра в экспедиции в Чите он с 1874 по 1891 год пролежал без употребления. В 1891 году он был установлен в Казанской обсерватории, где на нём до 1905 года А.В. Красновым велись главным образом наблюдения кратера Мёстинга — А с целью изучения физической либрации Луны. В конце 1907 года инструмент был отправлен в мастерские Репсольда в Гамбург для починки и отладки и по возвращении оттуда был передан в Энгельгардтовскую обсерваторию. Диаметр внутренней части помещения составляет 3.6 метра. В настоящее время гелиометр Астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта — это единственный в мире действующий телескоп гелиометр.
В 1909 г. на меридианном круге астроном-наблюдатель М.А. Грачев приступил к наблюдениям для составления каталога звёзд между 5.5 и 6.5 зв. величин. Кроме того М.А. Грачевым была найдена и наблюдалась впервые комета Галлея, когда она была 13 величины. В течение 10 лет было получено около 10 000 наблюдений. Позднее к наблюдениям подключился И.А. Дюков, который приступил к выполнению работы по международной программе. Далее Астрономическая обсерватория им. В.П. Энгельгардта принимала участие во всех коллективных наблюдательных работах, таких как составление «Каталога геодезических звёзд», входящих в программы для определения географических координат пунктов триангуляции. Это была первая крупная коллективная работа астрономов СССР. Наблюдения и их обработка были проведены И.А. Дюковым и Л.Д. Агафоновой раньше всех других участников этой коллективной работы и результаты были опубликованы в 1943 г. в трудах астрономической обсерватории Казанского университета.
Заказанный специально для наблюдений солнечного затмения астрограф Гейде с солнечной и звёздной камерами был установлен в июле 1914 года в специально построенном для него деревянном павильоне. Этот инструмент служил для фотографирования солнечного затмения 8 (старый стиль) 21 августа 1914 года в экспедиции в Киевскую губернию. 2014 год: перезахоронение В.П. Энгельгардта.
«4-го 1915 г. скончался в Дрездене, на 87-м году жизни, Василий Павлович Энгельгардт, которому Энгельгардтовская Обсерватория Казанского Университета обязана своим существованием… Южная мира меридианного круга, которой придана форма усыпальницы, будет служить местом его вечного упокоения. С любовью храня в своих недрах дорогие останки, Энгельгардтовская обсерватория должна будет всегда стремиться носить имя своего основателя с достоинством» Д.И. Дубяго.
Во время жестокой эпидемии «испанки» 22 октября 1918 года в Казани скончался Дмитрий Иванович Дубяго в возрасте 69 лет. После смерти Д.И. Дубяго в 1918 г. директором обсерватории стал учёный астроном и геодезист М.А. Грачёв. Руководя АОЭ в очень трудных условиях революционной разрухи, Грачеву удалось сохранить как оборудование обсерватории, так и научную направленность и работоспособность. При нем в загородной обсерватории была построена собственная электростанция.
1925–1931 Яковкин, Авенир Александрович стал директором обсерватории. С осени 1925 года Энгельгардтовскую обсерваторию возглавил Авенир Александрович Якаовкин (1887–1974), который с 1910 г., по окончании Казанского университета, работал в Энгельгардтовской обсерватории и одновременно с 1916 года преподавал на кафедре астрономии. Ещё будучи студентом, за детальное исследование переносного меридианного круга конструкции Гейде и успешное применение его в экспедиционных условиях для определения широты Рязани, Пензы и Алатыря А.А. Яковкин в 1909 г. был награждён университетской золотой медалью. А.А Яковкин возобновил астрофизические наблюдения, фотографируя звёздные поля для выявления переменных звёзд и получения звёздных спектров. Эти фотоснимки положили начало стеклянной библиотеке Энгельгардтовской обсерватории, насчитывающей к настоящему времени двенадцать тысяч астро — фотопластинок. А.А. Яковкин выполнил большой ряд наблюдений на гелиометре, в результате обработки которых получил уточнённые значения физической либрации Луны. Так же он занимался решением некоторых задач теоретической астрономии, спектроскопическими наблюдениями, являлся автором ряда оригинальных приборов и приспособлений для решения различных астрономических задач. В 1931 году профессор Авенир Александрович Яковкин принял в заведование кафедру геодезии КГУ, а в 1937 году покинул Казань, возглавив кафедру астрономии Свердловского университета.
А.А. Яковкин приобрёл в 1929 году для астрографа Гейде 120-мм объектив фирмы Цейсс и объективную призму. Благодаря этому появилась возможность фотографировать звёздные поля и получать звёздные спектры. Эти фотоснимки положили начало стеклянной библиотеке Энгельгардтовской Обсерватории, насчитывающей к настоящему времени десятки тысяч фотопластинок. Сам А.А. Яковкин тоже провёл большой ряд наблюдений на гелиометре, в результате обработки которых получил уточнённые значения физической либрации Луны.
В начале 1930х гг., под руководством директора обсерватории А.А. Яковкина, было построено здание библиотеки (предположительно по проекту И.И. Брюно).
1931–1954 Мартынов, Дмитрий Яковлевич стал директором обсерватории.
В 1932 г. в астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта была организована конференция «Казанская переменная звезда». Кроме того, казанские астрономы проводили экспедиции по изучению солнечного затмения с помощью астрографа, 11-м. коронографа (1914 г., 1936 г. и 1941 г.)
В 1934 году началась постройка сейсмического подвала.
В 1943 году вступил в строй телескоп-рефлектор системы Шмидта. 38-см фотографический рефлектор Шмидта был построен в мастерских Казанского авиационного института и Казанского университета. Оптическая часть была изготовлена в ГОИ в Ленинграде под руководством Д.Д. Максутова.
Все обсерватории с 1945 г. также приобрели или построили современные приборы (к примеру, радиоастрономические), открыли экспедиционные станции или филиалы обсерваторий и перешли к спутниковой астрономии (например, в Казани наблюдения искусственных спутников Земли в 1957 г.), астрометрии с Гиппаркосом и особенно рентгеновской астрономии (Гамбург и Казань).
В 1946 году был установлен 90-мм зенит-телескоп Бамберга. В 50-х годах XX века начато строительство более мощного зенит-телескопа с широким полем зрения. Было изготовлено 9 таких телескопов ЗТЛ-180 (диаметр — 180 мм, фокусное расстояние — 2360 мм), один из которых был установлен в Энгельгардтовской обсерватории.
Павильон телескопа АЗТ-14 1950-х гг. В 1950 году были возобновлены наблюдения малых планет, комет, покрытий звёзд Луной, а также спектральные наблюдения звёзд. Мировое признание получили работы А.Д. Дубяго по теории движения комет. На новом уровне было возрождено звёздно-астрономическое направление исследований, начало которому положил в XIX веке М.А. Ковальский. На основе наблюдаемого на небе распределения звёзд началось изучение структуры нашей Галактики. Стоит особо отметить работы Ш.Т. Хабибуллина (метод звёздных подсчётов в двух лучах и метод изучения тёмных туманностей, вошедший в учебники по звёздной астрономии как метод Хабибуллина). Был разработан способ однозначного определения параметра физической либрации Луны.
1954–1959 Дубяго, Александр Дмитриевич стал директором обсерватории.
Запуск искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года положил начало новой эпохе — эпохе космических полётов и исследования межпланетного пространства. Развитие космонавтики вызвало огромный интерес и внимание к астрономии. Академия Наук СССР выделила значительные средства на развитие астрономических учреждений. Инструментальный парк АОЭ пополнился новыми телескопами: в 1957 году был установлен зенит-телескоп (ЗТЛ-180).
1959–1976 Нефедьев, Анатолий Алексеевич стал директором обсерватории.
В 1963 году был установлен менисковый телескоп системы Максутова (АСТ-452) с увиолевой оптикой и тремя предобъективными призмами.
1976–1991 Белькович, Олег Игоревич стал директором обсерватории.
1991–2008 Сахибуллин, Наиль Абдуллович стал директором обсерватории.
С 2008 Нефедьев, Юрий Анатольевич стал директором обсерватории.
В течение 2011–2014 гг. на телескопе РТТ-150 были отождествлены 50 новых наиболее массивных скоплений галактик, обнаруженных в микроволновом диапазоне космическим спутником ПЛАНК с использованием эффекта Сюняева-Зельдовича.
С 28 апреля 2013 для посетителей открыт современный просветительско-презентационный и культурно-просветительский комплекс Планетарий Казанского Федерального университета и астропарк. Планетарий и астропарк имеют целью популяризировать астрономическую науку, сделать её увлекательной и доступной для детей дошкольного и школьного возраста и взрастить в них интерес к её дальнейшему профессиональному изучению. C 2016 года Планетарий носит имя дважды Героя Советского Союза, лётчика-космонавта А.А. Леонова.
С целью расширения сферы научных исследований с использованием данных орбитальных рентгеновских обсерваторий и крупнейших оптических телескопов мира, в 2014 году была организована научно-исследовательская Лаборатория «Рентгеновская астрономия».
В 2019 г. был осуществлён запуск нового международного спутника СПЕКТР-РЕНТГЕН-ГАММА. Научным руководителем с российской стороны является академик Сюняев Р.А. Казанский коллектив будет также активно участвовать в этом эксперименте. Технически мы просто участвовали, это то, что Антон тогда отправил
