Обнаружить точное описание места расположения обсерватории помогло изучение одного из документов XVII века: дарственной на земли для дервишской обители. В 1948 г. экспедиция Института истории и археологии Академии наук Узбекской ССР, руководимая археологом В. А. Шишкиным (1893—1966), завершила последний этап раскопок, обнажив фундаменты обсерватории и фрагменты здания вплоть до их основания на природной скале.
Согласно сделанной реконструкции, обсерватория имела вид трёхэтажной цилиндрической постройки высотой 30,4 м и диаметром 46,40 м, и вмещала ориентированный с севера на юг грандиозный угломер — секстант (или квадрант) радиусом 40,21 м, на котором производились измерения высоты небесных светил над горизонтом при прохождении их через небесный меридиан. Прибор открыт раскопками и хорошо сохранился в подземной части. Предполагается, что его дуга составляла шестую часть окружности с рабочей частью от 20° до 80°.
Дуга инструмента ограничена двумя барьерами, облицованными мрамором. На каждом градусе круга по мрамору вырезаны деления и цифры. Каждому градусу соответствует интервал в 70 см. Вдоль барьеров идут кирпичные лестницы.
Азимутальные наблюдения могли производиться с помощью горизонтального круга на крыше здания. В обсерватории имелись и другие инструменты, которые не сохранились.
Научная программа обсерватории была рассчитана, как минимум, на 30 лет (период обращения Сатурна). Государственные дела не позволяли Улугбеку постоянно входить во все тонкости работы обсерватории. Но то, что астрономия не была для Улугбека мимолётной прихотью, доказано всей его жизнью. Он постоянно опекал своё детище, был вдохновителем и научным руководителем всех основных работ.
Первые десять лет существования обсерватории ею руководил Джемшид ал-Каши. После его смерти этот пост занял семидесятилетний Казы-заде Руми. Но через шесть лет, в 1436 году, Руми тоже умер.
В советский период ошибочно писали, что после убийства Улугбека в 1449 году обсерватория прекратила существование, а здание её было разрушено религиозными фанатиками. На самом деле после Улугбека обсерватория ещё продолжала работать два десятилетия под руководством его ученика Али Кушчи. Только в 1469 году, после гибели правителя Самарканда Абу Саида в походе на Западный Иран, учёные стали переселяться в процветающий Герат. Так, Али Кушчи с учениками вынужден был покинуть обсерваторию и переехать в Герат, где первым министром государства был выдающийся поэт Востока и государственный деятель тимуридского Хорасана Алишер Навои, который оказывал протекцию и поддерживал материально учёных, мыслителей, художников, музыкантов и поэтов. Вскоре самаркандского астронома пригласили в Константинополь. Там он закончил и издал труды обсерватории. Астрономические таблицы, составленные в обсерватории Улугбека, пользовались заслуженной славой на Востоке и очень долго оставались непревзойдёнными по точности. В Европе они были впервые изданы в 1650 году.
Опустевшее здание обсерватории стояло ещё много лет и лишь в конце XVI века жители Самарканда разобрали обсерваторию на кирпичи. Свидетельством этого являются находки деталей архитектуры обсерватории на территории старого города.