中国科学院国家天文台成立于2001年4月，系由中国科学院天文领域原四台三站一中心撤并整合而成，包括总部及4个直属单位，总部设在北京，直属单位分别是：云南天文台、南京天文光学技术研究所、新疆天文台和长春人造卫星观测站。紫金山天文台、上海天文台继续保留院直属事业单位的法人资格，为国家天文台的组成单位。
国家天文台关注国际前沿与态势、国内布局与结构，注重突出自身的优势、特色与核心竞争力，以有显示度的重大成果产出为突破目标，经过多形式、多轮次、多渠道地调研、征集、酝酿、交流、反馈，正式凝练、通过国家天文台“十三五”时期“一三五”规划目标;在中科院组织的研究所“一三五”规划评议中，国家天文台被评为优秀规划。国家天文台坚持“三个面向”，在面向世界科技前沿方面，形成宇宙大尺度结构、银河系结构和演化历史、恒星和致密天体、系外行星、太阳物理等若干国际著名的卓越团队;在面向国家重大需求和面向国民经济主战场方面，成为国家空天安全等领域不可替代的重要“方面军”。将国家天文台建设成为世界一流水平的集(1)天文学前沿研究、(2)天文技术与方法创新及应用、(3)重大观测装置建造与运行、(4)国家月球与深空探测科学应用和国家空间碎片监测与应用，四位一体的综合性国立天文研究机构。三个重大突破为：银河系结构和化学-动力学演化，月球与深空探测和空间环境安全，优质建成 FAST 并成功运行、射电天文研究条件取得重大突破。五个重点培育方向为：星系宇宙学，恒星和致密天体，太阳活动与日地环境，先进望远镜与终端科学仪器关键技术，应用天文研究和产业化推广。
国家天文台牵头建设中国科学院天文大科学研究中心;参与建设中国科学院空间科学研究院;承办中国科学院大学天文与空间科学学院。
国家天文台建有光学天文、太阳活动、月球与深空探测、空间天文与技术、计算天体物理、天文光学技术、天体结构与演化等七个院重点实验室，并与二十余所大学、科研机构或高新技术企业建立了战略合作关系，成立联合研究中心或实验室。在河北兴隆，北京密云、怀柔，天津武青，昆明凤凰山，丽江高美谷，澄江抚仙湖，新疆南山、奇台、喀什、乌拉斯台，西藏阿里、羊八井，内蒙古明安图，吉林净月潭，贵州大窝凼等地建有观测台站。国家航天局空间碎片监测与应用中心、中国科学院南美天文研究中心、中国科学院天文大科学研究中心、中国科学院月球与深空探测总体部依托在国家天文台。
国家天文台负责调试和运行国家重大科技基础设施—500米口径球面射电望远镜(FAST)，运行和维护国家大科学装置—郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱望远镜，LAMOST)。国家天文台拥有2.16米光学望远镜、2.4米光学望远镜、50米射电望远镜、40米射电望远镜、25米射电望远镜、1米太阳塔等一批天文观测设备。
截至2016年底，国家天文台共有在职职工1338人。其中科技人员1065人、科技支撑人员193人，包括中国科学院院士7人、发展中国家科学院院士2人、研究员及正高级工程技术人员202人、副研究员及高级工程技术人员343人。
国家天文台共有国家海外******计划(“***计划”)入选者2人，“***”领军人才3人，“青年***计划”入选者6人;中国科学院“***计划”入选者38人(新增2人)，“西部之光”人才入选者99人(新增15人);国家***科学基金获得者16人(新增1人)。
国家天文台是首批国务院学位委员会批准的博士、硕士学位授予权单位之一，现设有天文学、光学工程天文技术与方法2个专业一级学科博士、硕士研究生培养点，天体物理、天文技术与方法、精密仪器及机械等3个专业二级学科博士、硕士研究生培养点，天体力学与天体测量专业一级学科硕士研究生培养点，和光学工程、精密仪器及机械二个专业学位硕士培养点，设有天文学、光学工程2个专业一级学科博士后流动站。
云南省天文学会、新疆维吾尔自治区天文学会分别挂靠云南天文台和新疆天文台。
国家天文台创办了拥有自主知识产权的国际核心英文学术期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》(RAA)，还办有中文核心期刊《天文研究与技术》和现代科普刊物《中国国家天文》。
