W październiku 1944 roku Kamieński i Gadomski dotarli do Krakowa24. W styczniu 1945 roku Kamieński w towarzystwie Banachiewicza (od 1919 roku dyrektora obserwatorium krakowskiego) i Józefa Witkowskiego z obserwatorium w Poznaniu złożył na ręce delegata rządu Stanisława Skrzeszewskiego memoriał w sprawie konieczności odbudowy obserwatorium warszawskiego25. Uzyskano także zgodę na utworzenie w Krakowie tymczasowej pracowni obserwatorium, która zaczęła działać od lutego 1945 roku w budynku przy ulicy Św. Tomasza 30. We wrześniu Gadomski został mianowany p.o. kierownika obserwatorium i pełnił tę funkcję do maja 1950 roku.
W Krakowie rozpoczęto rekonstrukcję biblioteki i instrumentarium. Nabyto księgozbiór od wdowy po krakowskim astronomie Antonim Wilku, ściągnięto książki z poniemieckiego obserwatorium w Gdańsku, ale trzon odradzających się zbiorów stanowił prywatny księgozbiór zmarłego w 1944 roku astronoma angielskiego Hugha F. Newalla, ofiarowany obserwatorium przez londyńskie Royal Astronomical Society. Udało się odzyskać wywiezioną przez Niemców astrokamerę i uruchomić refraktor Grubba, wstawiając przechowaną w Wiedniu optykę. Kazimierz Graff podarował fotometr klinowy oraz komplet wydawnictw obserwatorium wiedeńskiego. Skrzynie ze swoimi wydawnictwami przysłały także obserwatoria na Mount Wilson i w Paryżu.
W stolicy ważnym wydarzeniem dla przyszłych losów astronomii warszawskiej było posiedzenie Komisji w sprawie Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, które odbyło się 1 II 1947 roku. Wzięli w nim udział, oprócz rektora, dziekana, matematyka Kazimierza Kuratowskiego, od września 1945 roku kuratora katedry astronomii, Gadomskiego i fizyków z uniwersytetu, zaproszeni astronomowie z innych ośrodków akademickich: Władysław Dziewulski z Uniwersytetu Toruńskiego, Felicjan Kępiński z Politechniki Warszawskiej, Józef Witkowski z Uniwersytetu Poznańskiego i Eugeniusz Rybka z Uniwersytetu Wrocławskiego. Dyskusję podsumowano w sześciu punktach:
„1. Główny kierunek badań w przyszłym Obserwatorium A. UW byłby astrofizyczny.
2. W Warszawie ośrodkiem dydaktycznym byłby dawny gmach przy Al. Ujazdowskich, ośrodek zaś badawczy byłby umiejscowiony poza miastem z punktem wyjścia dla obserwacji 60-cm reflektorem.
3. Powyższe zamierzenia nie kolidują z utworzeniem ogólnego Obserwatorium Narodowego.
4. Zachodzi potrzeba stworzenia 3-ch równoległych katedr: astronomii praktycznej wraz z geodezją, astronomii teoretycznej i astrofizyki.
5. Pożądane jest rozszerzenie nauczania astronomii na UW.
6. Konieczne jest kształcenie specjalistów, przede wszystkim astrofizyków”26.
Większość postulatów dotyczących kierunku rozwoju astronomii na Uniwersytecie Warszawskim została zrealizowana w następnych dziesięcioleciach.
W wyniku konsultacji ze środowiskiem polskich astronomów komisja wydziałowa zdecydowała się w grudniu 1948 roku zaproponować kierownictwo obserwatorium i katedrę astronomii Wilhelminie Iwanowskiej z Torunia. W dalszych planach było powierzenie katedry astrofizyki teoretycznej Jeremiemu Wasiutyńskiemu, który jeszcze przed wojną trafił do Instytutu Astrofizyki Teoretycznej w Oslo i pozostał w Norwegii, trzeciej zaś katedry – Stefanowi Piotrowskiemu (1910–1985), adiunktowi z Krakowa, który w 1947 roku prowadził badania w Harvard College Observatory w Cambridge. Iwanowska propozycję przyjęła, ale ostatecznie do jej przeprowadzki do Warszawy nie doszło. W rezultacie w kwietniu 1950 roku katedrę astronomii i obserwatorium powierzono świeżo habilitowanemu Zonnowi, podjęto również wysiłki w celu ustanowienia katedry astrofizyki27.
Tymczasem dla wypróbowywania instrumentów, remontowanych i nowych, w marcu 1947 roku założono w odległości około 5 km od Krakowa, w Przegorzałach, w zameczku udostępnionym przez rektora Uniwersytetu Jagiellońskiego, stację obserwacyjną. Od września 1945 roku trwały również poszukiwania lokalizacji dla przyszłej działalności obserwacyjnej po powrocie do stolicy. Ostatecznie astronomowie warszawscy uzyskali od Ministerstwa Rolnictwa i Reform Rolnych majątek Ostrowik (ponad 60 hektarów), znajdujący się około 40 km na południowy wschód od Warszawy; komisja uniwersytecka przejęła teren wiosną 1948 roku. W roku 1949 roku w Ostrowiku stały już dwa refraktory o średnicy 13 cm oraz 25 cm i za ich pomocą prowadzono pierwsze obserwacje gwiazd zmiennych. Jednocześnie trwała odbudowa gmachu obserwatorium w Warszawie – zgodnie z jego zewnętrznym architektonicznym kształtem z 1825 roku. Co ciekawe, podczas prac wydobyto z fundamentów zachodniego słupa, na którym był wcześniej ustawiony refraktor Grubba, akt erekcyjny: gruby, hermetycznie zamknięty szklany słój cylindrycznego kształtu (10 x 40 cm). Zawierał arkusz papieru zwinięty w rulon z podpisami około 10 osób, obecnych przy wmurowaniu kamienia węgielnego. Niestety, dokument ten później zaginął28.
Pracownia obserwatorium warszawskiego w Krakowie funkcjonowała do lipca 1950 roku, kiedy to cały inwentarz przetransportowano do odbudowanego budynku w Alejach Ujazdowskich, w którym oprócz astronomów zostali ulokowani botanicy i matematycy, zgodnie z ustaleniami uczelnianej Komisji oraz z uchwałą Rady Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego z czerwca 1947 roku29.
Zonn, któremu przypadła ważna rola w procesie odbudowy astronomii warszawskiej, prowadził zajęcia na uniwersytecie, wspomagany przez Bielickiego, już od jesieni 1945 roku30. Jego działalność dydaktyczna i naukowa wywarła zresztą silne piętno na dalszym rozwoju astronomii nie tylko stołecznej. W 1946 roku wydał wysoko ocenianą Astronomię ogólną (wyd. II, 1949), w 1955 roku opublikował Astrofizykę ogólną – jedyny wówczas w języku polskim podręcznik astrofizyki obserwacyjnej – w 1957 roku zaś, wraz z innym pracownikiem obserwatorium i pierwszym wypromowanym po wojnie na Uniwersytecie Warszawskim magistrem astronomii, Konradem Rudnickim31, monografię Astronomia gwiazdowa, która była tłumaczona również w ZSRR (1959) i USA (1960). Pełniejszą realizację planów utworzenia w Warszawie znaczącego ośrodka astrofizycznego umożliwiło objęcie w lutym 1952 roku przez Piotrowskiego nowo powstałej katedry astrofizyki32. Ostatecznie działalność Zonna, Piotrowskiego i powiększającego się grona ich uczniów doprowadziła do ukształtowania się tzw. warszawskiej szkoły astronomii.
W ramach badań prowadzonych w obserwatorium rozwinęły się takie działy astrofizyki teoretycznej, jak transport promieniowania w ośrodkach o różnych własnościach optycznych, ewolucja gwiazd, również w odniesieniu do ciasnych układów podwójnych, fizyka materii międzygwiazdowej. Wiele miejsca poświęcano różnym aspektom astronomii gwiazdowej, takim jak kinematyka grup gwiazd, oraz zastosowaniom metod statystycznych w astronomii, także pozagalaktycznej. Kontynuowano tradycję obserwacji gwiazd zmiennych, przede wszystkim zaćmieniowych, ale astrofizykę obserwacyjną uprawiano głównie podczas wyjazdów pracowników obserwatorium do placówek zagranicznych33. Instrumentarium obserwatorium rozbudowywało się bowiem powoli: w 1955 roku stacja w Ostrowiku wzbogaciła się o teleskop zwierciadlany o średnicy 35 cm krajowej produkcji, w 1959 roku zaś – o astrograf 33 cm. Już poza nurtem badań astrofizycznych, od października 1957 roku, z budynku w Alejach Ujazdowskich Bielicki kierował obserwacjami sztucznych satelitów; placówka ta zyskała opinię jednej z najlepszych stacji (nr 1155) tego rodzaju na świecie34.
Sformułowany w 1947 roku na posiedzeniu Komisji w sprawie Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego postulat wyposażenia placówki w teleskop zwierciadlany o średnicy 60 cm zaczęto realizować dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych, kiedy podobnej klasy instrumentami dysponowały już ośrodki astronomiczne w Toruniu i Krakowie. W podaniu skierowanym do Ministra Oświaty i Szkolnictwa Wyższego z maja 1969 roku wyjaśniano między innymi, że „na Uniwersytecie Warszawskim daje się zauważyć silna jednostronność w kształceniu studentów astronomii. Ta jednostronność, zdominowanie dydaktyki i pracy własnej studenta przez problematykę ściśle teoretyczną oraz zupełny brak kontaktu z instrumentami i własnymi obserwacjami powodują groźne spaczenie procesu nauczania”35. Decyzja o przyznaniu środków finansowych na budowę teleskopu zapadła jednak przede wszystkim ze względu na zbliżającą się 500. rocznicę urodzin Mikołaja Kopernika i chęć uhonorowania przez władze pamięci wielkiego polskiego astronoma. Ostatecznie wykonany w Zakładach Zeissa w Jenie reflektor 60 cm, ustawiony w Ostrowiku pod kopułą o średnicy 5 m, został przekazany do eksploatacji w październiku 1973 roku36. W lipcu 1991 roku instrument ten wykorzystano do pierwszych w Polsce obserwacji astronomicznych wykonanych kamerą CCD37. Zainstalowanie nowoczesnego detektora powiększyło o rząd wielkości możliwości obserwacyjne teleskopu i umożliwiło realizację wielu nowych, ambitnych projektów naukowych. Poza tym stacja obserwacyjna w Ostrowiku była przez cały czas wykorzystywana do celów dydaktycznych.
Po śmierci Zonna dyrektorem obserwatorium, aż do przejścia na emeryturę w roku 1980, był Stefan Piotrowski38. W tym okresie kontynuowano głównie badania teoretyczne, ugruntowujące pozycję warszawskiej szkoły astronomicznej w świecie, także dzięki pracom młodego pokolenia astronomów: Krzysztofa Serkowskiego, Andrzeja Kruszewskiego, Józefa Smaka, Wojciecha Krzemińskiego, Bohdana Paczyńskiego, Wojciecha Dziembowskiego, Kazimierza Stępnia, Marcina Kubiaka, Sławomira Rucińskiego i innych. Część astronomów pracujących w obserwatorium była też zatrudniona w powołanym do życia jeszcze w latach 50. Zakładzie Astronomii PAN, który korzystał z pomieszczeń w gmachu w Alejach Ujazdowskich. W 1975 roku w obserwatorium został zainstalowany nowoczesny minikomputer obliczeniowy PDP 11/45 – dar astronomów amerykańskich dla Zakładu Astronomii PAN. Wkrótce Zakład Astronomii PAN przekształcił się w Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika, które w 1978 roku, wraz z komputerem PDP 11/45, przeniosło się do nowo wybudowanej siedziby przy ulicy Bartyckiej.
W roku 1980 dyrektorem obserwatorium został Kazimierz Stępień, a w latach 1987–2008 funkcję tę pełnił Marcin Kubiak. Obserwatorium gładko przeszło trudny okres transformacji ustrojowej w Polsce i umiejętnie wykorzystywało krótkie chwile lepszego finansowania nauki na początku lat 90., wymienialność waluty i otwarcie na świat. To właśnie wtedy zaczął nabierać kształtu dawny pomysł utworzenia stacji obserwacyjnej, usytuowanej w dobrym klimacie astronomicznym. Grupa doświadczonych astronomów obserwatorów – Marcin Kubiak, Janusz Kałużny, Michał Szymański i Andrzej Udalski wraz z Bohdanem Paczyńskim, wówczas już z Uniwersytetu w Princeton – zaczęła też rozważać możliwość rozpoczęcia nowatorskiego wielkoskalowego przeglądu nieba, który zrealizował się wkrótce jako największy w historii polskiej astronomii projekt obserwacyjny, The Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE). W obserwatorium powstała nowoczesna sieć komputerowa, nieustępująca podobnym sieciom w najlepszych instytutach naukowych na świecie. Należało ono również do pionierów polskiego internetu – uzyskało podłączenie do tej sieci jako jeden z pierwszych instytutów w Polsce.
Badania w ramach OGLE rozpoczęto w kwietniu 1992 roku pod kierownictwem Udalskiego i wkrótce program ten stał się jednym z największych przeglądów nieba na świecie. Głównym celem pierwszej fazy projektu było zaproponowane przez Paczyńskiego w połowie lat 80. poszukiwanie niezwykle rzadkich zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego i wykorzystanie ich do badania struktury Galaktyki oraz ciemnej materii wokół niej. Już po roku udało się zaobserwować pierwsze takie zjawiska, co odbiło się szerokim echem w międzynarodowym środowisku naukowym.
Obserwacje były prowadzone w obserwatorium w Las Campanas w Chile, przy użyciu amerykańskiego teleskopu. Od początku zdawano sobie jednak sprawę z tego, że do pełnego rozwoju badań niezbędny jest własny instrument. W 1991 roku dyrekcji obserwatorium udało się uzyskać środki na zakup teleskopu o średnicy 1,3 m, a za sprawą sukcesów pierwszej fazy OGLE właściciel obserwatorium w Las Campanas – Carnegie Institution of Washington – wyraził zgodę na wybudowanie tam stacji obserwacyjnej Uniwersytetu. Nowy, największy polski teleskop optyczny spojrzał po raz pierwszy w niebo 9 II 1996 roku, na początku 1997 roku był zaś gotowy do regularnych obserwacji; wtedy też rozpoczęła się druga faza badań w ramach OGLE. W ten sposób zrealizowały się marzenia astronomów warszawskich, a obserwatorium ponownie – tak jak przed drugą wojną światową na górze Pop Iwan – zaczęło dysponować wysokogórską stacją obserwacyjną, tyle że usytuowaną w znacznie dogodniejszym klimacie astronomicznym i wyposażoną w nieporównanie lepszy instrument i sprzęt.
5. Teleskop warszawski w obserwatorium w Las Campanas w Chile
Kolejne lata przyniosły dalszy rozwój projektu OGLE, zarówno pod względem instrumentalnym (projektowane i budowane w obserwatorium przez Udalskiego i Szymańskiego wielodetektorowe szerokokątne kamery mozaikowe, będące najnowocześniejszymi i największymi tego typu instrumentami na świecie), jak i naukowym. Do najważniejszych sukcesów należą badania planet pozasłonecznych – pionierskie zastosowanie dwóch nowych fotometrycznych sposobów ich odkrywania: metody tranzytów oraz mikrosoczewkowania grawitacyjnego; badania obiektów zmiennych (Igor Soszyński odkrywa, klasyfikuje i bada własności około połowy miliona nowych gwiazd zmiennych różnych typów); badania struktury Galaktyki i Obłoków Magellana czy odkrycia kandydatów na planety karłowate w Układzie Słonecznym. Olbrzymie bazy danych fotometrycznych projektu OGLE są wykorzystywane przez setki astronomów na całym świecie. Po raz pierwszy w historii obserwatorium to polskie badania wytyczają nowe kierunki i trendy astronomii światowej.
Specjalność obserwatorium, czyli astrofizyka obserwacyjna, a w szczególności wielkoskalowe przeglądy nieba, nie ogranicza się do OGLE. W 1997 roku Grzegorz Pojmański rozpoczął w stacji w Las Campanas obserwacje w ramach projektu ASAS (All Sky Automated Survey). Ów płytki przegląd fotometryczny całego nieba, mający na celu regularny monitoring jasnych gwiazd, jest sukcesywnie rozwijany (m.in. kolejne kamery projektu ASAS do monitorowania nieba północnego zostały umieszczone w obserwatorium na Hawajach) i przynosi wiele ciekawych odkryć. Stał się też wzorem dla podobnych programów obserwacyjnych, realizowanych w innych placówkach na świecie. Grzegorz Pietrzyński jest współtwórcą międzynarodowego programu obserwacyjnego Araucaria, mającego na celu wyznaczenie precyzyjnej skali odległości we Wszechświecie. W ostatnich latach badania te przyniosły znaczące sukcesy i stały się szeroko znane w świecie naukowym.
W roku 2008 dyrektorem obserwatorium został Andrzej Udalski. Podczas jego kadencji placówka kontynuuje rozpoczęte badania i poszerza zakres podejmowanych tematów. W obserwatorium rozwija się nowa dziedzina – astrofizyka wysokich energii. Tomasz Bulik jest bardzo aktywnym członkiem konsorcjów wielkich międzynarodowych projektów obserwacyjnych HESS i CTA, a prace teoretyczne Krzysztofa Belczyńskiego zyskują uznanie świata nauki. Prowadzone są też badania teoretyczne, będące od lat specjalnością astronomów warszawskich: z teorii ewolucji gwiazd (Kazimierz Stępień), pulsacji gwiazd (Wojciech Dziembowski), fizyki czarnych dziur i soczewek grawitacyjnych (Michał Jaroszyński).
Astronomowie z obserwatorium biorą także udział w misjach satelitarnych. Krzysztof Górski jest jednym z liderów zespołu naukowego satelity PLANCK, badającego emisję promieniowania mikrofalowego tła. Łukasz Wyrzykowski uczestniczy we flagowej misji satelitarnej Europejskiej Agencji Kosmicznej – Gaia.
Obserwatorium zajmuje obecnie znaczącą pozycję w astronomii światowej. Pracuje w nim około dwudziestu zawodowych astronomów. Jako placówka uniwersytecka obserwatorium spełnia też ważną funkcję edukacyjną i dydaktyczną, kształcąc przyszłych badaczy. Warto podkreślić, że większość uznanych w świecie polskich astronomów zdobywała wykształcenie właśnie w obserwatorium astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego.