Una de las sedes del Observatorio está situada en el Edificio Villanueva, en el parque del Retiro. El recinto posee una importante colección de instrumentos antiguos utilizados para realizar diversas actividades astronómicas y meteorológicas, como un círculo meridiano, una muestra de relojes de precisión y un espejo de bronce pulido por W. Herschel. Además, un péndulo de Foucault en la rotonda central ilustra la rotación diaria de la Tierra. El edificio está coronado por el gran telescopio ecuatorial de Grubb, de 1912. También merece especial atención la biblioteca, donde se conserva una de las documentaciones más antiguas y extensas de temas de astronomía.