L'Osservatorio di Arcetri trae la sua origine dalla Specola annessa al Museo di Fisica e Storia Naturale di Via Romana in Firenze, voluto dal granduca di Toscana Pietro Leopoldo.

In seguito alle complesse vicende politiche connesse con l'occupazione francese della Toscana il Museo diventa un'isitituzione del Regno di Etruria. Ad Elisa Buonaparte, principessa di Lucca e di Piombino, troviamo dedicati I primi due volumi degli "Annali del Museo Imperiale di Fisica e Storia Naturale" di Firenze per gli anni 1808 e 1809. Nella prefazione al primo si legge che un motu-proprio del 20 febbraio 1807 della Regina d'Etruria, Maria Luisa, consacra il "Reale Museo" alla pubblica istruzione, con lo stabilirvi sei professori, Incaricati di tenere sei corsi, tra cui uno di astronomia.

Alla cattedra di astronomia fu chiamato Domenico De Vecchi con l'incarico di svolgere un corso teorico pratico e di eseguire osservazioni astronomiche e meteorologiche. Ouest'ultime iniziarono nel luglio 1807, con l'aiuto di Cosimo del Nacca allievo dei Padri Scolopi mentre le osservazioni astronomiche iniziarono subito dopo per opera del De Vecchi. A quei tempi gli astronomi osservavano soprattutto posizioni di stelle, posizioni di comete, eclissi, occultazioni, e avevano il compito di studiare il tempo e la longitudine. Il De Vecchi morí nel luglio 1829 e gli successe il francese G. L. Pons, diventato celebre per la scoperta di comete a Marsiglla e che continuò a scoprirne delle altre a Firenze. Nel 1831 fu chiamato dal Granduca Leopoldo II a dirigere la specola fiorentina l'ottico modenese G. B. Amici. che si era gia` conquistato un'ampia notorietà nel campo dell'astromia e nella geodesia, principalmente per i suoi obiettivi ed oculari. Si può ben dire che le maestranze che l'Amici si era portato con se da Modena fecero rinascere a Firenze la tradizioni dell'ottica e della meccanica di precisione gi coltivata dai discepoli di Galileo nell'Accademia del Cimento. Ad Amici si deve la costruzione di due ottimi obbiettivi per telescopi tuttora esistenti presso l'Osservatorio.

Successe all'Amici, nel 1859, il suo discepolo G. B. Donati, pisano, allievo di Mossotti. Il Donati, riprende l'attività di osservazione del cielo che alquanto trascurata da Amici, impegnato nella produzione di strumenti ottici. Donati è rimasto famoso nella storia dell'astronomia, sia per la scoperta della cometa del 1858, sia per ricerche di spettroscopia stellare e cometaria.

Per migliorare la qualità delle osservazioni, turbate dalla luce e dalla polvere della città, Donati riprese un vecchio progetto di Perelli (1751) che prevedeva la costruzione di un osservatorio su un luogo elevato nei dintorni di Firenze. La scelta cadde abbastanza casualmente sul colle di Arcetri vicino alla villa "Il Gioiello" dove Galileo trascorse gli ultimi anni della sua vita, confinatovi dall'Inquisizione.

Il Donati, attivo ed infaticabile, presentava nel 1864 una proposta formale e completa al Governo, e il 26 Settembre del 1869 poteva far vlsitare agll astronomi, convenuti a Firenze per la misura dell'arco di meridiano, i primi lavori di costruzione dell'Osservatorio nella località denominata "podere della Cappella", che comprendeva la sommità della collina e la sistemazione provvisoria degli strumenti nella località tuttora chiamata "il Boschetto", dove oggi sorge la Torre Solare.

L'Osservatorio, completato tre anni piú tardi, veniva inaugurato solennemente il 27 Ottobre 1872 in assenza di Donati costretto a letto da una frattura ad una gamba. Rimessosi, Donati si impegnò a fondo per mettere in funzione il nuovo osservatorio ma purtroppo il colera contratto a Vienna durante un congresso scientifico, pose fini prematuramente alla sua vita nel 1873..

Alla morte del Donati il "Regio Istituto di Studi Superiori" di Firenze, da cui a quel tempo dipendeva l'Osservatorio, invitava lo Schiaparelli ad assumerne la direzione. Ma non potendo questi accettarla, consigliava di darne l'lncarlco al tedesco G. E. Tempel. Il Tempel, abilissimo disegnatore litografo, appassionato di astronomia, si dedicava alla scoperta e alla osservazione di comete, plccoll pianeti e nebulose, di cui fece in Arcetri una notevole quantità di disegni e di rilievi importanti, che gli valsero nel 1879 il premio reale dell'Accademia dei Lincei.

Durante la direzione del Tempel, l'edificio dell'Osservatorio, per la sua cattiva costruzione, deperiva rapidamente tanto che si dovette pensare a ricostruirlo, prima che potesse ritornare attivo nel 1893. La direzione passò poi ad Antonio Abetti il quale si premurò di far costruire una nuova e completa montatura equatoriale per l'obiettivo di Amici, che egli usò continuamente per le sue regolari e numerose osservazioni di pianeti e di comete dal 1895 al 1921, anno in cui lasciò la direzione per raggiunti limiti di età.

Per seguire i nuovi indirizzi dell'astronomla, l'attività dell'Osservatorio cominciava a rivolgersi piú particolarmente alle ricerche di astrofisica, tanto che nel 1921 esso assumeva la denominazione ufficiale di "Osservatorio Astrofisico" ed alla sua direzione veniva nominato Giorgio Abetti figlio di Antonio..

Per potenziare l'attrezzatura scientifica dell'Osservatorio, fu costruita nel 1924, dalle Officine Galileo di Firenze, una torre solare dedicata alla memoria di G.B. Donati. La Torre ha un'altezza di 25 metri ed è dotata di uno spettrografo e di uno spettroeliografo combinati di 4 m di distanza focale. Inoltre fu cambiato lo storico obbiettivo dell'Amici con uno maggiore di 37 cm di diametro e fu acquistato un riflettore prismatico con uno specchio parabolico e due prismi di 30 cm. Con questo nuovo corredo sclentifico l'attività dell'Osservatorio venne principalmente rivolta a ricerche di fisica solare e di spettroscopia stellare, mentre esso, con decreto del 1926, passava nel ruolo degli Osservatori statali. Nel 1925 G. Abetti fu nominato titolare della cattedra di astrofisica nella Università di Firenze, che frattanto aveva sostituito l'antico Istituto di Studi Superiori.

Nel 1953 la direzione dell'Osservatorio venne affidata a Guglielmo Righini,