I 1428 startet han byggingen av et astronomisk observatorium i Samarkand. Observatoriet ble ledet av vitenskapsmannen Al-Qûshdji og er i ettertid kjent for svært nøyaktige astronomiske beregninger. Blant annet ble det sideriske år beregnet til 365 dager, 6 timer, 10 minutter og 8 sekunder, noe som avviker med bare 58 sekunder fra de moderne beregninger. Dessuten fikk han mellom 1420 og 1437 utarbeidet stjernekatalogen med posisjonsangivelser av 1018 eller 1022 stjerner. Ulugh Beg bygde der på et arbeide av matematikeren og astronomen Muhammad ibn Musa al-Chwarizmi (ca. 780–840) og astronomen Ptolemaeus (ca. 90–160). I 1830 hyllet Johann Heinrich von Mädler hans astronomiske arbeider ved å oppkalle et månekrater etter ham (Ulugh Beigh-krateret). Han har også fått en asteroide oppkalt etter seg, 2439 Ulugbek. Den ble oppdaget og navngitt i 1977 av astronomen Nikolaj Tsjernykh.