Az egyetem fennállásának első száz évében az intézmény egyházi jellege következtében az oktatásban meglehetősen konzervatív, skolasztikus szemlélet uralkodott. E korban a csillagászatnak külön tanszéke még nem volt, de természetesen azért szükség volt bizonyos csillagászati alapismeretek oktatására. E csillagászati rutinfeladatokat a mindenkori matematikaprofesszor ("matézisprofesszor") látta el, így - elsőként - Johannes Misch (1658-63 között), később Szentiványi Márton.
A 18. század első évtizedeiben azután jelentős változások kezdődtek. Fokozatosan korszerűsödött az oktatás szemlélete, egyetemünkön is polgárjogot nyertek a kopernikánus és newtoni eszmék. Mindebben kiemelkedő szerepet játszott Kéri Borgia Ferenc matematikaprofesszor, aki Magyarországon először írt Newton és Descartes szellemében tankönyvet, és épített tükrös távcsövet, amellyel rendszeresen észlelt is.
1753-ban végül megkezdődött a nagyszombati egyetem csillagászati obszervatóriumának építése - aligha véletlen, hogy éppen Kéri Borgia rektorsága idején. 1755-ben formálisan megalapították az egyetem Csillagászati Obszervatóriumát, melynek élére a fiatal, dinamikus Weiss Ferencet nevezték ki. Az idős, és adminisztratív tisztségei által lekötött Kéri Borgia társigazgató (socius praefectus) lett. Ezt az eseményt tekinthetjük a tanszék alapításának.
1777-ben az egyetem Budára költözött, ahol a - Bécsben székelő uralkodó által nem használt - királyi várba költözhetett be. A csillagvizsgáló a palota tornyát kapta meg. 1785-ben meghalt Weiss Ferenc, s helyére Tauchert nevezték ki, aki így kénytelen volt Budára költözni. Ezzel a nagyszombati obszervatórium működése végleg megszűnt.
Taucher halála után Pasquich Jánost tervei alapján 1815-ben átadták a Gellérthegy tetején, a mai Citadella helyén épült új, modern obszervatóriumot. Az intézmény mind elhelyezését, mind épületét, mind újonnan beszerzett műszerparkját tekintve a világ egyik legideálisabb feltételekkel működő obszervatóriumának ígérkezett.
A gellérthegyi csillagvizsgálónál 1849-ben a magyar csapatok Buda ostroma során a tövében állították fel tüzérségüket. A várat védő osztrák tüzérség viszonttüze alatt az obszervatórium teljesen megsemmisült. A szabadságharc után néhány évig még tervezték a csillagvizsgáló újjáépítését, noha már ismert volt, hogy az osztrák kormányzat katonai erőd építését tervezi a hegytetőn. 1852-ben aztán végképp lemondtak az obszervatórium Citadellán belüli elhelyezésének tervéről, és az egyetemi Csillagvizsgálót hivatalosan is megszüntették. Az 1849-et követő évtizedek kétségkívül mélypontot jelentenek a Csillagászati Tanszék és általában a magyar csillagászat történetében; de egyben a megújulás kezdetét is. Az obszervatórium elvesztésével egyértelművé vált, hogy a Tanszéknek az elméleti kutatások felé kell fordulnia.
1849 után Petzval Ottó és Kondor Gusztáv oktatómunkája teremtette meg a magyar csillagászat újjászületésének személyi feltételeit.
Kövesligethy Radó kora, azaz a 20. század eleje tekinthető - a nagyszombati évek után - a Tanszék második fénykorának. Kövesligethy 1934-ben bekövetkezett halála után a tanszék vezetésére ismét pályázatot írtak ki. A kar által preferált jelöltet, Neumann Jánost azonban felsőbb nyomásra nem fogadták el. Ez a döntés, valamint akadémiai tagságának egyidejű elutasítása jelenthette az utolsó lökést Neumannak külföldre távozásához.
A Tanszék vezetését így végül a - Neumann kizárásáért természetesen nem hibáztatható - második jelölt, Wodetzky József nyerte el, akivel ismét visszatért a Csillagászati Tanszék elnevezés. Wodetzky 1941. évi nyugdíjba vonulását követően Lassovszky Károly, a nemzetközileg igen elismert asztrofizikus vette át az Intézet vezetését, melyet szorgalmazására az 1940-es évektől egészében Csillagászati Tanszéknek neveztek.
1956-os forradalom bukása olyan súlyos csapást mért a tanszékre, amely csak az 1849-eshez hasonlítható. A csapás, mely az egész magyar csillagászatot sújtotta, ezúttal nem a létesítményeket, eszközöket érte - ezeket a harcok megkímélték - hanem a szellemi tőkét. A forradalmat követő kivándorlási hullámban a magyar csillagászok többsége külföldre távozott, így csak a tanszékvezető, Földes István maradt Magyarországon, aki Marik Miklóssal sokat tett a tanszék újjászületéséért. 1956 után is az új tudósnemzedék képzése vált a legfontosabb feladattá. Földest végül 1964-ben lemondatták, s a tanszékvezetői poszton helyére Detre László került. Az ő tanszékvezetői működése alatt, 1965-ben kezdődött meg a csillagász szakos hallgatók képzése. Detre László kétségkívül a magyar csillagászat történetének egyik kimagasló egyénisége volt.
1968-ben Balázs Bélára került a tanszék élére, ő indította meg a Tanszék harmadik fő kutatási programját, a fiatal galaktikus objektumok vizsgálatát. Vezetésének másfél évtizede alatt a Tanszék látványos extenzív fejlődésen ment át.
1978-ban a Tanszék kooptálta az anyagi nehézségekkel küzdő szombathelyi Gothard Obszervatóriumot, mely azóta is az Egyetem égisze alatt (bár 1992-től a tanszék keretein kívül, kari intézményként) működik. A svábhegyi Csillagda két kupolát bocsátott a Tanszék rendelkezésére, oktatási célokra. Egyikükben távcső is volt (egy 20 cm-es refraktor), a másikat a Tanszék szerelte fel egy Zeiss Coudé reflektorral, mellyel ma is folynak észlelési gyakorlatok. Emellett számos egyéb nagy értékű műszer beszerzésére is sor került. Balázs Béla 1983-tól tartósan külföldre távozott, így ettől kezdve a tanszéket egy kétéves szünettől eltekintve Marik Miklós vezette, 1988-ig és 1990/91-ben megbízott, 1991-től kinevezett tanszékvezetőként.
A romló gazdasági körülmények folytán a tanszék lendületes anyagi fejlődése megtorpant. Ugyanakkor a kommunizmus bomlásával megnyíló utazási, nemzetközi kapcsolattartási lehetőségek, az elérhetővé vált pályázati pénzek, a külföldi ösztöndíjak, majd a kilencvenes évektől beindult Doktori Iskola tehetséges fiatalok tucatjait vonzották a Tanszékre, ami a tudományos tevékenység hosszú évtizedek utáni, a publikációs tevékenységben is jól lemérhető felpezsdüléséhez vezetett. Elősegítette ezt az elérhető árú számítástechnikai eszközök megjelenése a piacon, így a kezdeti lépéshátrány után, a kilencvenes évek derekára a Tanszék nemzetközileg is jó színvonalú számítástechnikai ellátottsággal rendelkezett. Különösen jó lehetőségeket teremtett a tanszék számára a régóta halasztódó átköltözés a TTK új, modern lágymányosi tömbjébe. Itt a tanszék észlelőkupolával, észlelőterasszal és (egyelőre műszer nélküli) planetáriummal is rendelkezik. A költözés lebonyolítása Marik Miklós váratlan halála után már Érdi Bálintra hárult, aki 1998-tól vezette a Tanszéket. Az átköltözés óta eltelt néhány év legjelentősebb fejleménye a teljes, ötéves csillagászképzés beindítása volt 2000-ben.
Tanszékvezetők:
Weiss X. Ferenc (1755-1785)
Taucher Ferenc (1785-1806)
Pasquich János (1806-1824)
Tittel Pál (1824-1831)
Albert Ferenc (1831-1834)
Mayer Lambert (1834-1857)
Kondor Gusztáv (1865-1871)
Petzval Ottó (1872-1883)
Kondor Gusztáv (1883-1897)
Kövesligethy Radó (1897-1933)
Móra Károly (1933-1934)
Wodetzky József (1934-1941)
Lassovszky Károly (1942-1949)
Földes István (1949-1964)
Detre László (1964-1968)
Balázs Béla (1968-1990)
Marik Miklós (1990-1998)
Érdi Bálint (1998-2009)
Petrovay Kristóf (2009-)