Το 1846 ολοκληρώνεται η κατασκευή του πρώτου του κτηρίου, στον λόφο των Νυμφών στο Θησείο, σχεδιασμένο από τον Δανό αρχιτέκτονα Theophil Hansen.
Έναν από τους βασικούς σκοπούς της λειτουργίας του Αστεροσκοπείου αποτέλεσε ο υπολογισμός και η ανακοίνωση της ώρας των Αθηνών, και κατ' επέκταση της επίσημης ώρας Ελλάδος. Μια υπηρεσία πολύ σημαντική για τις εμπορικές, οικονομικές, κοινωνικές και επιστημονικές δραστηριότητες της χώρας μας.
Ο υπολογισμός του χρόνου βασιζόταν σε αστρονομικές μεθόδους. Με ένα τηλεσκόπιο το οποίο κινούταν πάνω στο μεσημβρινό επίπεδο, προσδιοριζόταν η ώρα της μεσουράνησης συγκεκριμένων αστέρων από τον τοπικό μεσημβρινό. Η παρατήρηση αυτή οδηγούσε στον προσδιορισμό της ώρας του συγκεκριμένου τόπου.
Το πρώτο μεσημβρινό τηλεσκόπιο του Αστεροσκοπείου (Starke) κατασκευάστηκε στη Βιέννη το 1844, τοποθετήθηκε στο κτίριο Σίνα και χρησιμοποιήθηκε για τον πρώτο προσδιορισμό των γεωγραφικών συντεταγμένων του Αστεροσκοπείου και για τον προσδιορισμό της ώρας των Αθηνών. Η στέγη πάνω από το τηλεσκόπιο άνοιγε με τέτοιο τρόπο, ώστε να παρατηρούνται οι αστέρες κατά την διάβασή τους από τον μεσημβρινό.
Ο παρατηρητής, που βρισκόταν στον χώρο κάθε βράδυ, παρατηρούσε συγκεκριμένους αστέρες και με βάση την ώρα της μεσουράνησής τους, έλεγχε την ένδειξη ενός εκκρεμούς ακριβείας που υπήρχε δίπλα από το τηλεσκόπιο. Όταν υπήρχαν αποκλίσεις από τον χρόνο που τα αστέρια με την κίνησή τους υποδείκνυαν, διόρθωνε το ρολόι. Έτσι το εκκρεμές έδινε τον σωστό χρόνο. Κάθε μεσημέρι στις 12:00 μεταλλική σφαίρα που στηριζόταν σε ιστό, πάνω από το ύψος του θόλου του Αστεροσκοπείου, έπεφτε, γινόταν ορατή από τη Μητρόπολη των Αθηνών και χτυπούσαν οι καμπάνες. Η πτώση της σφαίρας σηματοδοτούσε την ώρα στην πρωτεύουσα. Το τηλεσκόπιο Starke χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ώρας έως το 1900.
Η μέτρηση του χρόνου συνεχίστηκε από ένα μεταγενέστερο όργανο, τον μεσημβρινό κύκλο «Ανδρέα Συγγρού». Το τηλεσκόπιο αυτό υπήρξε δωρεά του Α. Συγγρού, κατασκευασμένο το 1896 από τον Γάλλο κατασκευαστή τηλεσκοπίων P. Gautier. Το κτίριο στο οποίο στεγάζεται μέχρι σήμερα, ανατολικά του λόφου των Νυμφών, αποτελεί έργο του αρχιτέκτονα Έρνστ Τσίλλερ.
Διευθυντής του Αστεροσκοπείου κατά την περίοδο εκείνη διατελούσε ο καθηγητής Δημήτριος Αιγινήτης. Υπήρξε ο μακροβιότερος διευθυντής του Αστεροσκοπείου (1890 - 1934) και έπαιξε πολύ σημαντικό ρόλο στη πολιτική και ακαδημαϊκή ζωή της Ελλάδας εκείνη την περίοδο. Διετέλεσε δύο φορές υπουργός Παιδείας και υπήρξε ο ιδρυτής της Ακαδημίας Αθηνών. Η ένταξη της χώρας μας στο παγκόσμιο χρονομετρικό σύστημα των ωριαίων ατράκτων είναι αποτέλεσμα δικής του επιμονής. Μέχρι τότε στην Ελλάδα ίσχυε ως επίσημος χρόνος, ο μέσος χρόνος της Αθήνας. Με τη σιδηροδρομική όμως ένωση της χώρας μας με την υπόλοιπη Ευρώπη προέκυπτε άμεση ανάγκη ενοποίησης του συστήματος χρόνου της χώρας με εκείνο της υπόλοιπης Ευρώπης. Με τις έντονες προσπάθειες του Δ. Αιγινήτη η ελληνική κυβέρνηση πείστηκε να εφαρμόσει το νέο σύστημα από τον Ιούλιο του 1916. Ο ίδιος εισήγαγε επίσης τη χρήση του Γρηγοριανού ημερολογίου στη χώρα μας το 1923, το οποίο και αντικατέστησε το Ιουλιανό.
Οργάνωσε στο Αστεροσκοπείο την υπηρεσία ρύθμισης των χρονομέτρων, που έδινε τον ακριβή χρόνο στον πολεμικό και τον εμπορικό στόλο της Ελλάδας, απαραίτητη πληροφορία για την εύρεση του στίγματος των πλοίων.
Η ώρα υπολογιζόταν λοιπόν στο Αστεροσκοπείο, ανακοινώνονταν με την πτώση της σφαίρας και τον χτύπο από τις καμπάνες της μητρόπολης, μεταδίδονταν δε τηλεγραφικά προς άλλα κρατικά ιδρύματα. Η υπηρεσία του προσδιορισμού της ώρας Ελλάδος με την αστρονομική μέθοδο σταμάτησε το 1964. Σήμερα ο χρόνος καθορίζεται παγκοσμίως από τα ατομικά ρολόγια.
Τα ιστορικά τηλεσκόπια και τα εκκρεμή που χρησιμοποιήθηκαν για την Υπηρεσία Χρόνου από το Αστεροσκοπείο εκτίθενται σήμερα στους χώρους του Κέντρου Επισκεπτών του Αστεροσκοπείου στο Θησείο. Είναι επισκέψιμα για το ευρύ κοινό κατά τη διάρκεια των ανοιχτών βραδιών, που πραγματοποιούνται όλο το χρόνο, κάθε Τετάρτη, Παρασκευή και Σάββατο".
