W 1916 roku Uniwersytet wznowił działalność, a wykłady astronomii i tymczasowe kierownictwo obserwatorium powierzono Janowi Krassowskiemu (1883–1947), wcześniej adiunktowi w katedrze astronomii sferycznej i geodezyjnej Wyższej Szkoły Politechnicznej we Lwowie, od kilku miesięcy działającemu w Warszawie na rzecz otwarcia politechniki. Zastał on w obserwatorium zatrudnionego jeszcze przed wojną na stanowisku asystenta Stefana Świderskiego, który przed odejściem w 1919 roku zdążył opublikować podręcznik Zarys kosmografii (1916). Najważniejszym personalnym wzmocnieniem w tych początkowych latach nowego ładu było przybycie do Warszawy w 1918 roku Felicjana Kępińskiego (1885–1966), astronoma wykształconego na uniwersytetach w Lipsku, Getyndze i Berlinie (gdzie obronił rozprawę doktorską z mechaniki nieba), wcześniej asystenta w obserwatorium astronomicznym Uniwersytetu Berlińskiego w Babelsbergu. W okresie 1922–1923 Kępiński pełnił obowiązki kierującego obserwatorium Uniwersytetu, by w maju 1923 roku przekazać je w ręce nowo mianowanego profesora astronomii i dyrektora obserwatorium Michała Kamieńskiego (1879–1973), absolwenta Uniwersytetu Petersburskiego, pracownika Obserwatorium Morskiego we Władywostoku i współpracownika Wydziału Hydrograficznego Cesarskiej Marynarki Japońskiej w Tokio.
Kwestią równie istotną jak obsada głównych stanowisk naukowych była modernizacja przestarzałego obserwatorium czy, w dalszej perspektywie, wybudowanie nowego, w miejscu umożliwiającym prowadzenie obserwacji nawiązujących tematyką do szybko rozwijającej się astronomii światowej. Świadectwem potrzeb astronomii polskiej, a zatem także tej związanej z Uniwersytetem Warszawskim, był artykuł Władysława Dziewulskiego i Lucjana Grabowskiego, opublikowany w 1918 roku w odpowiedzi na inicjatywę Kasy im. Mianowskiego. Astronomowie młodszego pokolenia, przed którymi otwierała się możliwość rozwijania astronomii w niepodległej Polsce, ocenili stan obserwatoriów jako „wprost opłakany”, chociaż „[...] najlepiej stosunkowo jest uposażone obserwatorium warszawskie, ale i tam są poważne braki”18. Za signum temporis tej zapaści w odniesieniu do placówki w Warszawie można by uznać i to, że w początkowym okresie jej międzywojennej działalności największymi instrumentami pozostawały: refraktory Merza (z 1859 roku, gruntownie wyremontowany na początku 1927 roku) i Cooke’a (16,2 cm); ten ostatni pochodził jeszcze z obserwatorium Jędrzejewicza i w 1924 roku został wypożyczony Uniwersytetowi przez Towarzystwo Naukowe Warszawskie; oraz szukacz komet Heydego (16 cm, zwrócony przez ZSRR w 1925 roku).
Przejęcie obserwatorium wiązało się również z koniecznością uporządkowania archiwum i z kolejnym remontem gmachu, który przeprowadzono w latach 1925–1928. Obserwatorium zyskało niezależną sieć elektryczną, przerobiona została główna klatka schodowa, fragment strychu zachodniego przeznaczono na laboratorium astrofotograficzne, wschodniego zaś – na pracownię meteorologiczną i dwa dodatkowe pomieszczenia. Drewniane belki dachu nad wschodnim skrzydłem budynku wymieniono na strop żelbetowy. Tarasy południowy i górny wschodni zyskały słupy przeznaczone do obserwacji za pomocą instrumentów przenośnych.
Nowa obsada placówki zaczęła powoli, bo w obliczu poważnych trudności finansowych, modernizować obserwatorium. Jeszcze przed przybyciem Kamieńskiego zakupiono fotometr klinowy Graffa (1918) i mikrometr bezosobowy do wielkiego koła południkowego Ertela (1923); oba przyrządy okazały się jednak wadliwe i ich uruchomienie odbyło się z kilkuletnim poślizgiem. W 1925 roku obserwatorium otrzymało w darze od profesora Zygmunta Laskowskiego z Genewy refraktor o średnicy 10 cm, do którego dołączono fotometr Graffa; kolejny fotometr zaczął współpracować z refraktorem Cooke’a. W 1928 roku nabyto w Wiedniu płytomierz (komparator), a na teleskopie Haydego zamontowano astrokamerę z obiektywem Petzwala o średnicy 12 cm i ogniskowej 60 cm, co umożliwiło rozpoczęcie prac fotograficznych. W 1931 roku w wieży zachodniej stanął refraktor Grubba o średnicy 20 cm (był to sprzęt używany, zakupiony w Anglii). W tym samym mniej więcej czasie nabyto mikrofotometr Schilta z oprzyrządowaniem, który ulokowano na parterze w pomieszczeniu zaadaptowanym na pracownię fotometrii fotograficznej.
Zmiany te wiązały się z wprowadzaniem nowych kierunków badań. Oczywiście nie zarzucono astronomii klasycznej, chociaż jej znaczący przedstawiciel, Kępiński, w 1925 roku habilitował się na Uniwersytecie Stefana Batorego w Wilnie i jako docent rozpoczął pracę na Politechnice Warszawskiej, w stworzonym tam obserwatorium astronomicznym. Pod kierunkiem Kamieńskiego prowadzone były zespołowe prace obliczeniowe nad zmianami orbity komety Wolf I, wywołanymi wpływem planet olbrzymów, co pozwoliło stworzyć bardzo dokładną teorię ruchu tej komety okresowej. W obliczeniach tych brał udział między innymi Maciej Bielicki (1906–1988), który następnie poświęcił się mechanice nieba, osiągając ciekawe rezultaty. Podobnie zbiorowym wysiłkiem realizowano obliczenia par gwiazd Piewcowa w celu wyznaczania szerokości geograficznej dla pasa 20°–40° półkuli północnej. Wykonywano obserwacje zakryć gwiazd przez Księżyc i redukowano ich rezultaty. Prowadzono systematyczne obserwacje wizualne i fotograficzne komet oraz planetoid, których położenia wyznaczano później na wiedeńskim komparatorze. W tego rodzaju działalności specjalizował się Lucjan Orkisz (1899–1973), który, pracując jeszcze w obserwatorium w Krakowie, odkrył w 1925 roku kometę; zespół obserwatorium warszawskiego zasilił z początkiem roku 1929, opuścił zaś w 1938 roku. Obserwatorium podjęło się też organizacji służby czasu, stając się ogólnopolską centralą, przekazującą codziennie w południe i o godzinie 20 sygnał czasu – po raz pierwszy 1 X 1928 roku (do wybuchu wojny; od 12 II 1946 roku obowiązek ten przejęło obserwatorium w Krakowie)19. Ostatecznie główny zegar obserwatorium został zsynchronizowany z zegarami w budynku Polskiego Radia przy ul. Zielnej i w Głównym Urzędzie Telekomunikacyjnym. W rozwijaniu warszawskiej służby czasu duże zasługi miał Ludwik Zajdler (1905–1985).
Nowa tematyka badawcza, wkraczająca w granice astrofizyki, dotyczyła przede wszystkim obserwacji gwiazd zmiennych i fotometrii gwiazdowej. Obserwacje gwiazd zmiennych zainicjował w 1926 roku Eugeniusz Rybka (1898–1988), od października 1923 roku asystent w obserwatorium warszawskim, do którego przeniósł się z obserwatorium Uniwersytetu Jagiellońskiego, a od 1926 roku starszy asystent. Badania te na większą skalę prowadził Jan Gadomski (1889–1966), zatrudniony na stanowisku adiunkta od lipca 1927 roku, a pracujący wcześniej jako asystent w obserwatorium krakowskim. W 1930 roku Rybka udał się na staż do obserwatorium astronomicznego w Lejdzie, gdzie pod kierunkiem Ejnara Hertzsprunga mógł się zapoznać z metodami fotometrii. Ze stażu przywiózł wspomniany już mikrofotometr termoelektryczny i obiektywową siatkę dyfrakcyjną, co umożliwiło podjęcie obserwacji w zakresie fotometrii fotowizualnej gwiazd. Opublikowany podczas pobytu w Lejdzie katalog fotometryczny gwiazd w gromadzie kulistej M3 stał się na przełomie lat 1931 i 1932 podstawą habilitacji Rybki na Uniwersytecie Warszawskim. Umożliwiło mu to w lutym 1932 roku objęcie po Marcinie Ernscie katedry astronomii na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie i kierownictwa Zakładu Astronomii.
Pragnąc poszerzyć i zintensyfikować kontakty z astronomią światową, obserwatorium rozpoczęło w 1925 roku publikowanie własnych wydawnictw i rozsyłanie ich do placówek zagranicznych. W latach 1925–1927 trafiły one do 250 obserwatoriów i uczonych spoza Polski. Ostatecznie do rozpoczęcia drugiej wojny światowej ukazało się 12 tomów „Publications of the Astronomical Observatory of the Warsaw University” oraz 20 numerów „Circular of the Astronomical Observatory at Warsaw”.
Jednocześnie warszawscy astronomowie starali się brać żywy udział w popularyzacji astronomii w odrodzonej Polsce. Od wiosny 1923 roku do pierwszych lat drugiej wojny światowej w oknie obserwatorium na parterze, obok zegara, wywieszano codzienny biuletyn, informujący mieszkańców stolicy o wschodach i zachodach Słońca i Księżyca oraz ważniejszych zjawiskach astronomicznych; zawierał on także dane meteorologiczne z dnia poprzedniego i poranka. Niektóre instrumenty obserwatorium udostępniano do prowadzenia pokazów nocnego nieba. Pracownicy działali w strukturach powstałego w 1921 roku w Warszawie Towarzystwa Miłośników Astronomii (Kępiński był jednym z założycieli i pierwszym prezesem, następnym zaś Kamieński), które rok później zaczęło wydawać popularną „Uranię”; redagowali ją Kępiński, Orkisz i Rybka20. Stowarzyszenie bardzo szybko osiągnęło status ogólnokrajowy i w związku z tym w 1928 roku przyjęło nazwę Polskiego Towarzystwa Przyjaciół Astronomii. W 1931 roku ukazała się Kosmografia – podręcznik dla szkół średnich, napisany przez Gadomskiego i Rybkę. W latach 1932–1936 został wydany podręcznik Astronomia ogólna autorstwa Kamieńskiego i Jeremiego Wasiutyńskiego (1907–2005), absolwenta warszawskiej astronomii i pracownika obserwatorium. W roku 1938 zaś Wasiutyński opublikował książkę Kopernik, twórca nowego nieba, która została uhonorowana Nagrodą Literacką m.st. Warszawy i stała się jednym z najważniejszych opracowań życia i dzieła Kopernika w XX wieku.
Wszystko to nie zmieniało jednak fatalnego, z punktu widzenia działalności obserwacyjnej, położenia placówki w centrum dużego miasta i sprawa ta zaczęła regularnie powracać w rozmowach wewnątrz uczelni i na szczeblach ministerialnych. Jeszcze w latach dwudziestych Kamieński rozpoczął, na forum najpierw Wydziału Filozoficznego, a później Senatu Uniwersytetu Warszawskiego, starania o teren pod nowe obserwatorium, wskazując Pola Mokotowskie. Nawiązywało to do wizji Armińskiego, ale łączyło się przede wszystkim z koncepcją rozbudowy całego Uniwersytetu Warszawskiego, co może tłumaczyć tę zbyt nieśmiałą próbę oderwania się od świateł miejskich. Tak czy owak, plany te nie ziściły się ani w odniesieniu do obserwatorium, ani do uczelni.
Wiosną 1934 roku Ministerstwo Komunikacji powiadomiło obserwatorium o zamiarze wybudowania na Kasprowym Wierchu pawilonu astronomicznego, który mógłby stanowić wysokogórską filię obserwatorium warszawskiego. Nie doprecyzowano jednak kwestii finansowych i sprawa upadła, kończąc się ostatecznie otworzeniem w styczniu 1938 roku jedynie obserwatorium meteorologicznego.
3. Obserwatorium na szczycie Pop Iwan
Rok 1935 przyniósł jednak kolejną propozycję, tym razem ze strony Ligi Obrony Powietrznej i Przeciwgazowej. Astronomom warszawskim zaproponowano zorganizowanie części astronomicznej w budującym się na szczycie Pop Iwan (2022 m n.p.m.) w Karpatach Wschodnich obserwatorium meteorologicznym21. Uzyskawszy poparcie ówczesnego rektora, profesora Stefana Pieńkowskiego, Kamieński zdecydował się działać i przedstawił Zarządowi LOPP koncepcję wyposażenia nowej placówki w astrokamerę o średnicy 33 cm połączoną z refraktorem o średnicy 25 cm z firmy Grubb & Parsons oraz w urządzenie do pomiarów klisz i niezbędne oprzyrządowanie. Pomysł został zaaprobowany. Kamień węgielny pod budowę obserwatorium położono latem 1936 roku, co pozwoliło się przekonać, że docieranie do obserwatorium nie będzie rzeczą banalną. Za strony obserwatorium pracami organizacyjnymi zajmował się przede wszystkim Gadomski, wykorzystując swoje doświadczenie zdobyte podczas zakładania stacji obserwacyjnej Lubomir na Łysinie (912 m n.p.m.), uruchomionej w 1922 roku przez Uniwersytet Jagielloński. Kamieński natomiast nadzorował produkcję zamówionych instrumentów. Ostatecznie przybyły one do Polski jesienią 1937 roku i zostały zamontowane – z udziałem Bielickiego, który zdołał wykonać za ich pomocą pierwsze zdjęcia (planetoidy 704 Interamnia). W ten sposób polska astronomia otrzymała największy w tamtym czasie instrument.
4. Astrograf i refraktor wewnątrz kopuły obserwatorium na szczycie Pop Iwan
Uruchomienie obserwatorium na szczycie Pop Iwan było jednym z powodów, dla którego w 1938 roku na zwolnione przez Orkisza stanowisko starszego asystenta przeniósł się z obserwatorium w Wilnie Włodzimierz Zonn (1905–1975). Rozpoczął on prace dotyczące fotometrii fotograficznej, ale nie zdążyły one wyjść poza etap wstępny.
Do rozwiązania pozostawały kwestie finansowania nowej placówki. W roku akademickim 1935/1936 Senat uczelni podjął uchwałę, sankcjonującą jej organiczny związek z Uniwersytetem Warszawskim, ale Ministerstwo Wyznań Religijnych i Oświaty Publicznej niechętnie myślało o zaangażowaniu się w to przedsięwzięcie. Natomiast Zarząd Główny LOPP zagwarantował fundusze na utrzymanie obserwatorium astronomicznego na górze Pop Iwan jeszcze na rok 1939. Ostatecznie sprawa jego oficjalnego przejęcia przez Uniwersytet Warszawski stanęła na posiedzeniu Rady Wydziału Matematyczno-Filozoficznego dopiero 1 IX 1939 roku. I chociaż uchwała akceptująca placówkę jako filię obserwatorium warszawskiego została przegłosowana, nie doczekała się realizacji.