Místo ke stavbě hvězdárny bylo vybráno na Petříně za Hladovou zdí, kde původně stál starý domek.
Vybavení hvězdárny si vyžádalo značných finančních prostředků, zejména na zakoupení velkého Zeissova astrografu z pozůstalosti vídeňského hvězdáře Königa za 110 000 korun.
Dne 24.6.1928 po mnoha strastech a po překonání spousty překážek došlo k slavnostnímu otevření první části Štefánikovy lidové hvězdárny na Petříně.
Díky vysoké návštěvnosti a vzrůstajícímu zájmu o astronomii pokračovala stavba druhé části hvězdárny již bez větších potíží. Po dokončení stavby na jaře roku 1930 se petřínská hvězdárna pyšnila hned třemi kopulemi, oproti plánované jediné, a zařadila se k nejlépe vybaveným lidově osvětovým zařízením své doby.
Na samém začátku okupace byla pod podlahami hvězdárny ukryta značná část československého vojenského archívu. I přes to, že zde bylo stanoviště nacistické protiletecké hlídky, zasedal v její bezprostřední blízkostí, v bytě manželů Kadavých, revoluční výbor Astronomické společnosti za vedení L. Landové-Štychové, Vlčka a Čackého.
Na konci války byla hvězdárna značně poškozena bombardováním. Nejvíce poškozeny byly střední kopule a knihovna, kde přišla nazmar spousta vzácných knih. Za vydatné pomoci ministra Kopeckého a primátora Vacka byly škody velice rychle napraveny.
Původní rozsah si budova zachovala až do rozsáhlé dostavby a rekonstrukce v letech 1971-1976, díky kterým se prostory hvězdárny zvětšily asi dvakrát. Opětovně byla hvězdárna otevřena 10.9.1976.
Nejvýhodnější přístup na hvězdárnu je lanovkou ze stanice Újezd ( nedaleko od tramvaje) na stanici Petřín, která se nachází asi 100 metrů od vlastní hvězdárny.
Vybavení hvězdárny odpovídá jejímu účelu a vychází z požadavků, že pro popularizaci astronomie ve 20. století má být využíváno moderních a esteticky působících přístrojů a zařízení.
I přes to, že hlavní činností byla a je činnost popularizační a kulturně výchovná, nezůstává odborná činnost stranou. Od 50. let je tradičně pěstována pozorovatelská činnost v oboru proměnných hvězd, meteorů a planet. Hvězdárna je tak jednou z nejaktivnějších pozorovatelen zákrytů hvězd Měsícem.
Štefánikova hvězdárna na Petříně byla postavena z iniciativy České astronomické společnosti (ČAS). Tato společnost byla založena roku 1917 jako spolek sdružující zájemce o astronomii z nejširších vrstev obyvatelstva. Hlavními cíly Společnosti bylo ... zřízení lidové observatoře astronomické v Praze ..., knihovny a čítarny, přístupné nejširším kruhům ..., šíření a popularisování výsledků moderní astronomie."
Podnětem ke zřízení hvězdárny se stala tragická smrt M.R. Štefánika. Společnost spolu s městem založila r. 1919 Fond k uctění památky Štefánikovy", který měl za úkol shromáždit dostatek peněz pro vybudování hvězdárny. Předsednictví fondu přijal básník Josef Svatopluk Machar a účast na akcích, které fond organizoval, přijímali členové vlády včetně prezidenta T.G. Masaryka.
Česká astronomická společnost (později Československá astronomická společnost) dosáhla hlavního cíle - vybudování hvězdárny - až po jedenácti letech své existence. Teprve r. 1928 byla z finančních prostředků poskytnutých pražským městem postavena hvězdárna, která byla Společnosti předána do užívání.
Nicméně ještě před postavením hvězdárny se mohli obyvatelé i návštěvníci Prahy přesvědčit o krásách večerního nebe na vlastní oči. V té době jako pozorovací místa Společnosti mj. sloužila v letech 1921 až 1923 umělá jeskyně v dnešních Havlíčkových sadech (Gröbovce) či historická astronomická věž Klementina (1925 - 1928).
Hvězdárnu bylo původně zamýšleno vybudovat jako součást novostavby Technického muzea a později se reálně uvažovalo o stavbě na západním svahu Riegrových sadů na Král. Vinohradech. Tato myšlenka musela být ale r. 1927 opuštěna pro změnu majitele pozemků, který na tomto místě chtěl postavit velký sokolský dům s hřišti a restaurací. V témže roce sadový úřad doporučil Společnosti obecní domek čp. 205 při Hladové zdi na Petříně, který byl postupně přestavěn na hvězdárnu. Štefánikova hvězdárna je tak zčásti tvořena Hladovou zdí z let 1360 až 1361, hradební věží a tereziánským domkem.
V této souvislosti není bez zajímavosti, že o umístění hvězdárny na Petřín ČAS uvažovala už v r. 1922, ba dokonce sto let předtím roku 1818 chtěl na Petříně postavit novou hvězdárnu ředitel tehdejší Pražské hvězdárny v Klementinu P. M.A. David.
Slavnostní otevření Štefánikovy hvězdárny pro členy Společnosti proběhlo dne 24. června 1928. Veřejnosti byla hvězdárna zpřístupněna o rok později v květnu u příležitosti Štefánikových oslav. Zamýšlené práce na stavbě byly dokončeny ale až v r. 1930, kdy byly dostavěny i zbývající dvě kopule.
První přístroje byly pro hvězdárnu zakoupeny ještě před jejím otevřením. Byl jím mj. velký a v té době moderní čočkový dalekohled o průměru objektivu 20 cm, označovaný jako hledač komet", zakoupený r. 1921 pro pozorování komet a slabých mlhovin.
Roku 1928 přijala Společnost nabídku vdovy po vídeňském selenografovi Rudolfu Königovi a zakoupila z jeho pozůstalosti dvojitý Zeissův astrograf na speciální, tzv. vyvážené montáži, který byl vyrobený v letech 1905 - 1907. Díky peněžním darům bank i jednotlivců (mj. prezidenta Masaryka, pražské obce, Národní a Zemské banky či Melantrichu) se dalekohled r. 1929 podařilo odkoupit. Přístroj byl umístěn do hlavní kopule, postavené r. 1930. Pilíř podstavce je vysoký 15 metrů, z toho je 7.5 m zapuštěných v zemi. Celková hmotnost dalekohledu je nyní 5.5 tuny, z toho hlavní protizávaží váží téměř 2.5 t. Přístroj je dodnes hlavním dalekohledem hvězdárny.
Dalekohledem s největším průměrem objektivu se ale stal přístroj vyrobený r. 1967. Jeho zrcadlo má průměr 37 cm. Původně byl určen pro hvězdárnu ve Varšavě, ale nakonec byl zakoupen počátkem 70. let do Prahy a do provozu byl uveden v roce 1976.
Původní vzhled hvězdárny byl skromnější než dnes. Do r. 1930 měla budova pouze jednu kopuli oproti dnešním třem s pozorovacím domečkem. Koncem druhé světové války byla budova poškozena natolik, že se uvažovalo o vybudování hvězdárny zcela nové. O patrovou nástavbu pak byla hvězdárna rozšířena po rozsáhlé rekonstrukci v 70. letech. V dnešní podobě byla znovu uvedena do provozu roku 1976.
Snad více než vzhled budovy se ale v průběhu existence hvězdárny měnil její název. Původně byla hvězdárna otevřena jako Lidová hvězdárna Štefánikova.
Proč právě Štefánikova? Milan Rastislav Štefánik (1880 až 1919) nebyl totiž pouze voják, generál francouzské armády, letec, diplomat, spoluzakladatel československého státu a přesvědčený čechoslovakista, ale svých prvních mezinárodních úspěchů dosáhl na poli astronomie. V roce 1904 vystudoval na pražské Universitě Karlově astronomii. Ještě toho roku odejel do Paříže, kde se seznámil s Camille Flammarionem, slavným astronomem. Díky jemu mohl pracovat jako astronom na meudonské hvězdárně. Zúčastnil se expedic za pozorováním zatmění Slunce, vybudoval hvězdárnu na Tahiti, studoval sluneční korónu, navrhl nové uspořádání spektroheliografu. Jeho astronomická dráha skončila v roce 1912, kdy mu nebyla přiznána profesura na Karlově universitě, přestože byl v té době nejlepším astronomem Rakousko-Uherska. Další osudy M.R. Štefánika jsou spojeny s francouzskou armádou a s úspěšnou snahou o založení samostatného Československa. Zemřel při příletu do vlasti 4. května 1919.
Název hvězdárny byl v období protektorátu (přesněji v letech 1940 až 1945) zkrácen na Lidovou hvězdárnu. Následujících osm let se používal původní název Lidová hvězdárna Štefánikova. V roce 1953 se hvězdárna stala samostatným zařízením hlavního města a byla přejmenována na Lidovou hvězdárnu na Petříně. Ke jménu M.R. Štefánika se hvězdárna vrátila ještě po roce 1968, kdy nesla název Štefánikova hvězdárna hl. m. Prahy, a to až do r. 1974. Následně byly až do roku 1990 její názvy Hvězdárna hl. m. Prahy a Hvězdárna Petřín. Konečnou podobu názvu Štefánikova hvězdárna obdržela v roce 1990. O čtyři roky později, v roce 1994 byla pak před hvězdárnou za účasti prezidenta republiky odhalena socha Milana Rastislava Štefánika.
1917 založena Česká astronomická společnost (ČAS)
1919 ustaven Fond k uctění památky Štefánikovy"
1928 slavnostní otevření Štefánikovy hvězdárny
1929 Štefánikova hvězdárna zpřístupněna veřejnosti
1930 dokončeny práce na stavbě Štefánikovy hvězdárny; instalován hlavní dalekohled
1955 astronomický kroužek v Ďáblicích zahajuje stavbu hvězdárny
1958 zahájení výstavby Planetária Praha
1958 zahájení provozu Hvězdárny Ďáblice
1960 slavnostní otevření Planetária Praha
1969 Hvězdárna Ďáblice je připojena ke Štefánikově hvězdárně jako její pobočka
1973 otevření Koperníkovy kopule na Kleti
1976 po rozsáhlé rekonstrukci je Hvězdárna Petřín opět přístupna veřejnosti; instalován zrcadlový dalekohled o průměru 37 cm
1979 Hvězdárna na Petříně, Planetárium Praha a Hvězdárna Ďáblice jsou sloučeny pod Hvězdárnu a planetárium hl. m. Prahy
1990 Hvězdárna Petřín se vrací k původnímu názvu Štefánikova
1991 v Planetáriu Praha je zahájen provoz přístroje Kosmorama
1994 před Štefánikovou hvězdárnou je prezidentem republiky Václavem Havlem slavnostně odhalena socha M. R. Štefánika