В статуті новостворюваного Київського університету (1834 р.) серед тринадцяти кафедр філософського факультету була закладена і кафедра астрономії.
Лише в 1837 р. на посаду завідуючого кафедрою був прийнятий В.Ф.Федоров (1802-1855), учень знаменитого російського астронома, першого директора Пулківської обсерваторії В.Я.Струве (1793-1864). В.Я.Струве на той час вже був астрономом світового рівня, та всіляко допомагав В.Ф.Федорову у створенні астрономічної обсерваторії Київського університету, обрання його почесним членом університету св. Володимира (1846) в значній мірі було подякою за цю допомогу. При сприянні Струве бібліотека обсерваторії одержала частину книг з бібліотеки відомого німецького астронома Ольберса Г.В., яка була придбана Пулківською обсерваторією.
В.Ф. Федоров читав курси плоскої та сферичної геометрії, геодезії, загальні основи астрономії, сферичну, теоретичну та практичну астрономію, з 1938 р. професор, в 1840-42 рр. був деканом фізико-математичного відділення філософського факультету, 1843-47 рр. обирався ректором університету. Багато зусиль він доклав до будівництва та обладнання університетської обсерваторії. Астрономічна обсерваторія університету була введена в дію в 1845 р. На жаль, через різні обставини, на обсерваторії велись лише епізодичні спостереження, які не дали якихось визначних наукових результатів протягом першого десятиріччя роботи. В 1851 р. смуга сонячного затемнення проходила через Україну, за ініціативою Федорова В.Ф. Київський університет організував спостереження в чотирьох пунктах; результати успішних спостережень були опубліковані.
В 1856 р. після передчасної смерті Федорова В.Ф. зав.кафедрою астрономії було обрано професора Харківського університету Шидловського А.П. (1818 – 1892). Шидловський А.П. – випускник Харківського університету, працював в Дерптському університеті та Пулковській обсерваторії під керівництвом В.Я.Струве. В “спадщину” новому директору дісталась побудована відносно недавно університетська обсерваторія, але, внаслідок невисокої якості будівництва та придбаного обладнання, вона не відповідала тогочасному рівню наукових досліджень, і , в кращому випадку, могла забезпечити навчальні роботи студентів. В 1862 р. після величезних зусиль Шидловського А.П. та при підтримці керівництва університету вдалось ввести в дію рефрактор, придатний для серйозної наукової роботи. Однак, через цілу низку об’єктивних та субєктивних причин, регулярні спостереження високого рівня на обсерваторії організувати не вдалося. Шидловського А.П. було звільнено з поста директора обсерваторії та зав.кафедрою в 1868 р., за вислугою встановленого терміну служби, хоча читати лекції в університеті він продовжував ще протягом багатьох років.
В 1869 р., після невдалої спроби запросити до Києва відомого астронома Ф.О.Бредіхіна, на посаду зав.кафедрою астрономії та директора обсерваторії було обрано московського астронома М.Ф.Хандрикова (1837 – 1915). На той час М.Ф.Хандриков був вже досвіченим спостерігачем, визнаним спеціалістом в галузі теоретичної астрономії, мав досвід читання лекцій в Московському університеті, був знайомий з більшістю обсерваторій Європи та їх обладнанням. Хандриков М.Ф. досить успішно проводив модернізацію обсерваторії, заплановану ще Шидловським А.П. В 1872 р. було введено в дію меридіанний круг, виготовлений німецькою фірмою Репсольда, який більше сотні років залишався основним астрометричним інструментом обсерваторії. В 1882 р. було встановлено новий рефрактор, який мав дві паралельні труби – візуальну та фотографічну, цей інструмент до 1949 року був найпотужнішим київським телескопом. Відновлено було також великий пасажний інструмент. Крім цих великих придбань, обсерваторія поповнилась цілою низкою малих інструментів, необхідних для навчальної роботи та експедицій, а також астрономічними годинниками та хронометрами, які працюють і зараз. Хандрикову М.Ф. вдалось залучити до роботи в обсерваторії висококваліфікованих астрономів-спостерігачів В.І.Фабриціуса, Р.П. Фогеля та М.П. Диченка. Всі вони були великими ентузіастами та непересічними особами. Фабриціус В.І. виконав велику кількість астрометричних спостережень на меридіанному крузі обсерваторії, більшість яких було опрацьовано та опубліковано, особливу увагу він приділяв спостереженням біляполярних зірок.
В 1879 р. почали видавати Анали Київської обсерваторії, де публікувались результати спостережень київських астрономів. В Київському університеті значна увага приділялась роботам в галузі теоретичної астрономії – визначенню орбіт. Цей напрямок розвивався Хандриковим М.Ф. та його учнями і колегами: Фабриціусом В.І., Фогелем Р.П., пізніше Чорним С.Д. та Іллінським І.Г. Хандриков М.Ф., був засновником київської школи теоретичної астрономії, він запропонував нові методи визначення елементів орбіт планет та комет; водночас, як глибоко ерудований та прогресивний астроном, він розумів велику перспективу астрофізичних досліджень, які тільки почали розвиватися в Європі. Його московський колега Бредіхін Ф.О. досить інтенсивно розвивав спектроскопічні методи дослідження зірок та туманностей, розвивалися методи фотографічної астрофотометрії. Хандриков добивається для свого учня Фогеля відрядження спочатку в Пулково, а потім у Францію та Італію з метою вивчення нових методів в астрономії. Хоча закордонне стажування Фогеля і вдалося, його власні наукові інтереси були пов’язані з теоретичною астрономією, тому він не став ентузіастом астрофізики, астрофізичні дослідження розпочалися в Києві значно пізніше.
Фогель Р.П. (1859 – 1920) стає завідуючим кафедрою в 1897 р., а в 1901 р. – директором обсерваторії, Хандриков продовжує читати астрономічні курси та математику, як позаштатний професор. Обидва професори в різний час читали лекції з астрономії та математики на Вищих жіночих курсах, Фогель тут двічі (в 1912 та 1915 рр.) обирався деканом фізико-математичного відділення. Фогель Р.П. залишався на посту завідуючого кафедрою і директора обсерваторії до 1920 р. Діяльність обсерваторії в цей час не відзначалась великими науковими досягненнями. Значна матеріальна скрута, революції, перша світова війна, евакуація обсерваторії в Саратов в 1915 р., визвольні змагання – досить серйозні об’єктивні причини, а ще, як завжди, були і суб’єктивні…
Після смерті Фогеля лекції з астрономії читав Диченко М.П. (1863 – 1932), він же тимчасово керував обсерваторією. Диченко М.П. закінчив Київський університет в 1891 р., а з 1898 р., після роботи в Пулково, працював астрономом-спостерігачем в Київській обсерваторії, більше 30-ти років він був основним спостерігачем на меридіанному крузі. Київський університет в 1920-33 рр. був реорганізований у Вищий Інститут Народної Освіти (ВІНО). В 1923 р. на посаду директора обсерваторії та професора ВІНО був зарахований С.Д.Чорний (1874-1956). Чорний С.Д. був випускником фізико-математичного факультету Київського університету 1897 р., працював викладачем в різних вузах, в 1908 – 1915 рр. – професор астрономії та директор обсерваторії Варшавського університету, в 1915 – 1923 рр. професор Ростовського університету. Його наукові інтереси лежали в галузі теоретичної астрономії та небесної механіки. Дослідники історії Київської обсерваторії вказують на значний внесок відомих київських астрономів І.Г.Іллінського та І.І.Путіліна в розвиток теорії орбіт. Іллінський І.Г. (1887 – 1968) був випускником Київського університету (1912), учнем Хандрикова та Фогеля. Його основні наукові роботи пов’язані з задачею визначення орбіт, він розробив практичні прийоми обчислень; за свідченнями сучасників, Іллінський був неперевершеним обчислювачем орбіт докомп’ютерної епохи – швидко та безпомилково обчислював орбіту комети за трьома спостереженнями, використовуючи лише папір, олівець та таблиці логарифмів. Путілін І.І. був випускником Московського університету (1922), працював в бібліотеці університету та в Астрономічному інституті ім. Штернберга, з 1935 р. працював в Київському університеті на посаді доцента та астронома-спостерігача обcерваторії. Його роботи присвячені дослідженням малих планет, багато уваги Путілін приділяв збуреному руху астероїдів, особливо Ганімеда.
Протягом 1960-2004 років на кафедрі працював проф. Дзюбенко М.І.