All'interno dell'edificio che ospita l'Accademia e la Pinacoteca di Brera si trova un vero e proprio osservatorio astronomico. Attraversando i tetti dell'edificio si accede a una grande sala circolare con il tetto emisferico. Al centro della sala troneggia un grosso telescopio. È il rifrattore Mertz utilizzato dall'astronomo Giovanni Schiaparelli tra il 1875 e il 1884. Come in ogni osservatorio che si rispetti il soffitto ruota e si apre per permettere di puntare lo strumento verso la porzione di cielo a cui uno è interessato. Ovviamente, a causa dell'inquinamento luminoso che una città come Milano provoca oggi, l'osservatorio viene utilizzato solamente per fare delle serate dimostrative sull'osservazione dei cieli e in particolare per osservare la Luna. La maggior parte degli studi effettuati oggi dall'Osservatorio Astronomico di Brera si basano su osservazioni fatte dalla specola di Merate in Brianza.
L'Osservatorio Astronomico di Brera nacque nel 1760, quando i gesuiti Pasquale Bovio e Domenico Guerra cominciarono a interessarsi di studi astronomici in maniera quasi amatoriale. Già nel 1762 fu però chiamato a dirigere l'Osservatorio padre Luigi La Grange che presto chiamò al suo fianco padre Giuseppe Ruggero Boscovich, professore di matematica all'Università di Pavia. In breve l'Osservatorio di Brera divenne una realtà scientifica di notevole livello. Nel 1773 l'Osservatorio divenne di proprietà statale, ma La Grange ne rimase direttore fino al 1777, quando il suo posto fu preso da Francesco Reggio. Il vero salto di qualità l'Osservatorio lo fece però con l'arrivo alla direzione di Barnaba Oriani, che fece guadagnare all'istituzione milanese grande lustro anche a livello internazionale.
Un ulteriore aumento di fama l'Osservatorio le dovette all'arrivo di Giovanni Virginio Schiaparelli (direttore dell'Osservatorio a partire dal 1862) cui si devono le più importanti scoperte fatte dai tetti di Brera come l'esistenza dell'asteroide Esperia, la relazione tra stelle cadenti e comete, le notevoli osservazioni di alcune stelle doppie, oltre ai famosissimi studi su Marte che lo portarono a scoprire i canali che ne solcano la superficie e a dare ai luoghi del pianeta una nuova nomenclatura in latino, che sostituisse quella ormai datata, con nomi anglosassoni, fatta da Proctor nel 1867.
Schiaparelli abbandonò il suo posto solo nel 1900 per essere sostituito da Giovanni Celoria prima e Emilio Bianchi poi. Nel frattempo l'inquinamento luminoso di Milano rendeva sempre più difficili le osservazioni, tanto che negli anni Venti del Novecento si decise di costruire a Merate la sede staccata dell'Osservatorio con la nuova specola.