持下使用一架中星仪进行一般性的天文研究，其任务是经由观测维持殖民地的精确时间。成立后不久，一架的望远镜被安装在天文台进行天文研究的工作， 有一段时间，这是全球最大的完全导像望远镜。这架仪器也被称为"大墨尔本望远镜"。在1874年，天文台成为全球水星凌日观测计画的参与者，目地在更精确的测量出地球到太阳的距离。 在1880年代末期，天文台使用新颖的摄影技术参加国际性制做星图的"Carte du Ciel" 计画，是参加这个计画最南方的天文台。墨尔本天文台被指派的观测天区从南纬65度至天南极。