Обсерваторія розташована у Голосіївському національному парку на висоті 213 метрів над рівнем моря. Ініціатором її створення влітку 1944 року став відомий вчений, астроном та геофізик Олександр Якович Орлов. Саме він особисто вибрав для побудови обсерваторії простору галявину у Голосіївському лісі, що на той час знаходилася за межами міста далеко від джерел яскравого освітлення, яке заважає астрономічним спостереженням. Головна обсерваторія НАН України відома у світі своїми науковими здобутками у таких галузях астрономiї, як дослідження обертання Землі та побудова координатних систем у космічному просторі, фізика фотосфери Сонця та тіл Сонячної системи, формування та еволюція зір і галактик. 

У 2004 році з нагоди 60-річногою ювілею на честь Голосіївської обсерваторії мала планета № 15675 отримала назву «Голосєєво».