Po zamknięciu Szkoły Głównej i odejściu Baranowskiego na emeryturę kierownictwo obserwatorium powierzono nie Kowalczykowi, lecz Iwanowi Wostokowowi (1840–1898), absolwentowi uniwersytetu w Petersburgu, mającemu za sobą pracę w obserwatorium w Pułkowie i zagraniczny staż. Badania Wostokowa były do pewnego stopnia zbieżne z naukowymi zainteresowaniami Kowalczyka, gdyż dyrektor zajmował się przede wszystkim metodami wyznaczania orbit i rachunkiem perturbacyjnym14. Nominację na dyrektora obserwatorium i profesora Uniwersytetu Wostokow otrzymał w listopadzie 1869 roku. Jego kadencja rozpoczęła się od zaplanowanej jeszcze przez Baranowskiego przebudowy obserwatorium, lecz nowy dyrektor zmienił jego, zaakceptowany już wcześniej przez władze, plan. Podstawowa różnica polegała na zrezygnowaniu z istniejących murowanych ścian sali południkowej i z planowanego wzmocnienia dachu żelaznymi belkami – Wostokowowi, który wzorował się na konstrukcji z Pułkowa, chodziło o to, by temperatura w sali obserwacyjnej mogła szybciej zrównać się z temperaturą na zewnątrz. Latem 1870 roku, po demontażu instrumentów, ściany murowane zastąpiono drewnianymi; poza tym powiększono zachodnią kopułę, ustawiając pod nią refraktor Merza, który z trudem mieścił się w kopule wschodniej. Przebudowa została zakończona w 1871 roku.

Po zamknięciu Szkoły Głównej i przyłączeniu w 1873 roku obserwatorium do carskiego uniwersytetu, Kowalczyk otrzymał stanowisko pełniącego obowiązki starszego astronoma obserwatora, postawiono mu jednak warunek uzyskania stopnia magistra w ciągu dwóch lat. Wywiązał się z tego w terminie, przedstawiając rozprawę poświęconą wyznaczaniu elementów orbit planet i komet na podstawie dużej liczby obserwacji. Obszerniej temat mechaniki nieba Kowalczyk potraktował w dwóch późniejszych monografiach – pierwszych w języku polskim podręcznikach astronomii teoretycznej. Pierwsza z nich – książka O sposobach wyznaczenia biegu ciał niebieskich (1889) – została napisana na konkurs krakowskiej Akademii Umiejętności i otrzymała w 1883 roku Nagrodę Naukową im. Mikołaja Kopernika, ustanowioną przez gminę miasta Krakowa, druga zaś – rozprawa O sposobach obliczania przeszkód biegu ciał niebieskich (1901) – stanowiła dopełnienie tej pierwszej i była poświęcona rachunkowi perturbacyjnemu.

W czerwcu 1876 roku Kowalczyk zainicjował program wyznaczenia współrzędnych 6041 gwiazd w pasie deklinacji od –1°50’ do –7°10’, prowadząc obserwacje kołem południkowym Reichenbacha, zakupionym jeszcze przez Armińskiego. Przedsięwzięcie to wpisywało się w program zespołowego w skali placówek europejskich katalogowania gwiazd, zaproponowany w 1867 roku przez niemieckiego astronoma Friedricha Wilhelma A. Argelandera, a koordynowany przez Astronomische Gesellschaft. Ostatecznie wyniki dwudziestoletniej pracy Kowalczyka i ponad 22 tysiące spostrzeżeń nie weszły do grupy katalogów Astronomische Gesellschaft , niemniej katalog warszawski (epoka 1880.0) został wydany w języku niemieckim w 1904 roku nakładem obserwatorium. I chociaż praca ta nie wywarła istotnego wpływu na astrometrię światową, była wyróżniającym się przedsięwzięciem badawczym w astronomii uprawianej w tamtych czasach na ziemiach polskich.

Kowalczyk zadbał też o całościowe ujęcie długiego ciągu obserwacji meteorologicznych, prowadzonych w obserwatorium od początku jego funkcjonowania: w dwóch pierwszych tomach „Pamiętnika Fizyjograficznego” (1881, 1882) zestawił ich wyniki z lat 1826–1880. W tym okresie do spostrzeżeń meteorologicznych przywiązywano wielką wagę, dbając o unowocześnianie oprzyrządowania, przy tym w 1869 roku sposób ich prowadzenia i redukcji uzgodniono z rosyjską służbą meteorologiczną. Ciąg obserwacyjny przerwano dopiero w 1915 roku, by kontynuować go od 1916 roku aż do pierwszych dni sierpnia 1944 roku15. Początkowo za obserwacje był odpowiedzialny Baranowski, ale później wykonywali je młodsi pracownicy obserwatorium, którzy zmieniali się dość często, z różnych powodów, ale rzadko zapisywali się znaczącymi dokonaniami naukowymi. Do wyróżniających się można zaliczyć Karola Deikego (1845–1906), absolwenta Szkoły Głównej, który w 1866 roku podjął pracę w obserwatorium i pod kierunkiem Kowalczyka wykonywał obserwacje planet oraz planetoid, jak również obliczał efemerydy tych ostatnich. W 1871 roku opuścił jednak stanowisko młodszego adiunkta i przyjął posadę w Banku Handlowym.

Kowalczyk kontynuował również tradycję podejmowania przez astronomów warszawskich tematyki historycznej. Wydał popularną książkę Mikołaj Kopernik i jego układ świata (1872), co z pewnością miało związek z jego uczestnictwem w komitecie, który zorganizował w Warszawie obchody czterechsetlecia urodzin wielkiego astronoma. Opisał też historię obserwatorium od jego powstania do początku XX wieku. Pierwszą pracę na ten temat opublikował po rosyjsku w 1894 roku; wersja polska ukazała się w „Wiadomościach Matematycznych” (1897). Tekst znacznie poszerzony, obejmujący okres 1820–1900, powstał najpierw po rosyjsku w 1906 roku, a niedługo później po polsku przedrukowały go „Wiadomości Matematyczne” (1907).

Warto w tym miejscu przypomnieć stymulującą rolę, jaką warszawscy astronomowie odgrywali wobec miłośników astronomii i w procesie powstawania polskojęzycznej literatury, poświęconej wiedzy o Wszechświecie. Baranowski i Prażmowski przez kilkanaście lat czynnie wspierali Kajetana Kraszewskiego, który od 1854 roku wyposażał w swojej posiadłości w Romanowie prywatne obserwatorium astronomiczne i prowadził badania na miarę swych możliwości. Kowalczyk służył radą Janowi Jędrzejewiczowi, właścicielowi innego prywatnego obserwatorium, uruchomionego w Płońsku w latach 1872–1875, i badaczowi, który śmielej nawiązywał do nowoczesnych nurtów astronomii tamtych czasów niż obserwatorium stołeczne, podejmując wieloletnie badania gwiazd podwójnych i tematykę analizy spektralnej. Po śmierci Jędrzejewicza jego obserwatorium staraniem środowiska warszawskiego zostało w 1898 roku przeniesione do Warszawy i ulokowane na terenie Szkoły Technicznej Wawelberga i Rotwanda. Kowalczyk w dalszym ciągu sprawował opiekę naukową nad tą placówką, nadzorując program badawczy i pracę obserwatora Romana Mereckiego. Śladem warszawskich astronomów, dość regularnie publikujących w czasopismach popularnonaukowych teksty relacjonujące rozwój światowej astronomii i tłumaczących na język polski ważne książki, szli wychowankowie Wydziału Matematyczno-Fizycznego Uniwersytetu, tacy jak Stanisław Kramsztyk czy Karol Hertz. Ten drugi był nie tylko wydawcą czasopisma „Przyroda i Technika”, lecz także autorem nowoczesnego podręcznika astronomii ogólnej Kosmografia (1880), który wkrótce jednak przyćmiła tak samo zatytułowana książka Jędrzejewicza (1886), uznawana za najlepszy polski podręcznik astronomii na przełomie XIX i XX wieku16.

Pod koniec XIX i na początku XX stulecia warszawskie obserwatorium było, podobnie jak inne placówki uczelniane na ziemiach polskich, w Krakowie i we Lwowie, wyposażone bardzo ubogo w sprzęt, na dodatek przestarzały. Próbę zmiany tego stanu rzeczy, ale tylko w zakresie tradycyjnej astronomii klasycznej, podjął Wostokow, zamawiając w monachijskiej firmie Ertela wielkie koło południkowe z obiektywem o średnicy około 15 cm. Niestety, niedokładne ustawienie i wykalibrowanie instrumentu sprawiło, że po kilku latach Wostokow i Kowalczyk uznali go za przyrząd generujący zbyt duże błędy; systematyczne obserwacje nowym kołem zarzucono. Niemniej zakup przyniósł pewne korzyści, gdyż sprowadzenie go do obserwatorium w 1884 roku spowodowało kolejną poważniejszą przebudowę budynku, trwającą 2 lata. Instrument stanął na miejscu starego koła Reichenbacha, ale na nowych słupach, przegniłe zaś drewniane belki podłogowe wymieniono na stalowe, z murowanym sklepieniem. Zastąpiono też kopułę wschodnią większą, sprowadzoną z Wilna po pożarze tamtejszego obserwatorium. Wostokow doposażył również placówkę w instrumenty przenośne, takie jak instrument przejściowy Ertela, instrument uniwersalny Hildebranda i Schrama czy teleskop zenitalny Wanschaffa oraz nowoczesne przyrządy meteorologiczne, z kilkoma egzemplarzami samopiszącymi. Dla instrumentów zbudowano pawilony, ustawione na placu pozyskanym kosztem Ogrodu Botanicznego, mogły więc służyć do zajęć dydaktycznych i obserwacji bez zaburzania prac w budynku obserwatorium.

Wkrótce potem pracę w obserwatorium na stanowisku młodszego astronoma i uniwersyteckiego wykładowcy podjął absolwent Uniwersytetu Warszawskiego Wiktor Ehrenfeucht (1864–1917). W latach 1890–1893 przeprowadził on dość oryginalny program obserwacyjny, wyznaczając zmiany szerokości geograficznej – zjawiska, które zostało odkryte kilka lat wcześniej. Jego rezultaty trafiły do literatury europejskiej poświęconej badaniom wahania się osi Ziemi. Po śmierci Wostokowa Ehrenfeucht odszedł z Uniwersytetu do ryskiego Instytutu Politechnicznego, gdzie został profesorem geodezji.

Typowego obrazu niezbyt oryginalnej działalności obserwatorium astronomicznego w ostatnich dziesięcioleciach XIX wieku dopełniają akcydentalne obserwacje geodezyjne, mające na celu wyznaczenie różnic długości geograficznej, oraz pomiary geofizyczne (grawimetryczne i magnetyczne), wykonywane najczęściej przez uczonych przyjezdnych.

Śmierć Wostokowa nie stanowiła cezury, która wprowadziłaby istotne zmiany w tematyce badań czy też zajęć astronomów warszawskich. W 1899 roku jego następcą został bowiem inny mechanik nieba, autor znaczących rozpraw teoretycznych, pracujący wcześniej w obserwatorium w Kazaniu – Aleksander Krasnow (1866–1907). Z punktu widzenia historii polskiej astronomii ważne natomiast było pojawienie się na Cesarskim Uniwersytecie Warszawskim Tadeusza Banachiewicza (1882–1954), który studiował w latach 1900–1904 na Wydziale Fizyczno-Matematycznym, a w 1904 roku uzyskał stopień kandydata nauk za pracę poświęconą stałym redukcyjnym heliometru Repsolda z obserwatorium w Pułkowie, nagrodzoną złotym medalem. Banachiewicz już w czasie studiów podjął współpracę z obserwatorium, inicjując systematyczne obserwacje zakryć gwiazd przez Księżyc i planety17. Wkrótce potem udał się na staże naukowe za granicę: w latach 19061907 kontynuował studia astrofizyczno-matematyczne w Getyndze pod kierunkiem Karla Schwarzschilda, a lata 1908–1909 spędził u Oskara Backlunda w Pułkowie. Po powrocie do Warszawy został zatrudniony w obserwatorium Uniwersytetu na stanowisku młodszego asystenta, lecz po roku, w październiku 1909 nie zaproponowano mu przedłużenia angażu. Po zdaniu egzaminów magisterskich w Warszawie i na Uniwersytecie Moskiewskim (na przełomie lat 1909 i 1910) postanowił więc kontynuować swoją karierę w innych placówkach, najpierw w obserwatorium Engelhardta, filii obserwatorium Uniwersytetu Kazańskiego, później zaś w obserwatorium astronomicznym w Dorpacie (obecnie Tartu), gdzie szybko awansował.

Lata 1907–1908 przyniosły śmierć Krasnowa i przedłużające się poszukiwania jego następcy; kolejne odmowy ze strony rosyjskich astronomów, jak również późniejszą decyzję Banachiewicza o wyjeździe z Warszawy (na przełomie lat 1918 i 1919) można uznać za swoistą recenzję stanu astronomii uniwersyteckiej i obserwatorium. Ostatecznie stanowisko dyrektora obserwatorium i profesora astronomii objął w 1908 roku Siergiej Czornyj (1874–1956), który przybył z Uniwersytetu Kijowskiego. To jemu przypadła rola ostatniego rosyjskiego astronoma zawiadującego astronomią warszawską, choć nie zdołał pozostawić po sobie znaczącego śladu w działalności naukowej czy organizacyjnej placówki. W każdym razie to właśnie on kierował ewakuacją obserwatorium w 1915 roku, kiedy wojska rosyjskie cofały się przed niemieckimi. Wprawdzie blisko już stuletni ciąg obserwacji meteorologicznych został wówczas na pewien czas przerwany, ale główne instrumenty obserwatorium pozostały na swoich miejscach; Czornyj wywiózł jedynie kilka przyrządów przenośnych i inwentarze.