К постройке этого великолепного сооружения Улугбек привлек виднейших ученых, в том числе "Птолемея своей эпохи" Алауддина Али ибн-Мухаммеда, прозванного Али Кушчи, "Платона своей эпохи" Салахуддина Муса ибн-Мухаммед Казы-Заде-Руми, "величайшего знатока" Гиясуддина ал-Каши и других, которые разработали проект, а также усовершенствовали необходимые астрономические инструменты. По некоторым сведениям, преподавал в этом медресе Улугбек.

Выдающимся достижением самаркандских астрономов был составленный ими каталог звезд, снабженный предисловиями, так называемый "Зидж Улугбека" или "Зидж Гургони". Ценность этого каталога, прежде всего, в том, что в каталоге определены координаты 1018 звезд. Над этими таблицами самаркандские астрономы работали долго и закончили их к 1437 году, но изменения и добавления Улугбек вносил в них до самой своей смерти.

После смерти Улугбека обсерватория еще продолжала работать 20 лет. Только в 1469 году, после убийства правителя Самарканда Абу Сайда его сыном Мирзой Султаном Ахмадом, положение ученых настолько ухудшилось, что Али Кушчи с учениками вынужден был покинуть обсерваторию и переехать в Герат, где первым министром государства был великий узбекский поэт Алишер Навои. Вскоре самаркандского астронома пригласили в Стамбул. Там он закончил и издал труды обсерватории. Астрономические таблицы, составленные в обсерватории Улугбека, пользовались заслуженной славой на Востоке и очень долго оставались непревзойденными по точности. В Европе они были впервые изданы в 1650 году. 

Опустевшее здание обсерватории стояло еще много лет, и лишь в начале XVI века было разобрано на кирпичи.

В начале XX в. месторасположение обсерватории Улугбека было найдено самаркандским археологом В.Л. Вяткиным. Согласно сделанной реконструкции, круглое здание обсерватории имело в диаметре 46.40 м, и высоту 30 м.

Главным в обсерватории является гигантский угломерный инструмент - секстант или квадрант - вертикальный круг, радиус окружности которого равнялся 40.212 м, а длина самой дуги составляла 63 м. Он был точно ориентирован по меридиану с юга на север и был предназначен для наблюдений за Солнцем, Луной и другими планетами небесного свода. 

Cохранившаяся до нашего времени часть этого инструмента была опущена в глубокую узкую траншею, выбитую в скальном основании холма, по которой уложены две параллельные дуги из жженого кирпича, скрепленного раствором алебастра. Сверху дуги облицованы плитами из мрамора толщиной 10-12 см. На западной дуге неглубоким рельефом нанесены арабской буквенной нумерацией соответствующие обозначения. В мраморные дуги были вделаны полосы с минутными и секундными делениями, которые служили для точных измерений положения светила в момент прохождения его через меридиан.

Обсерваторию Улугбека украшает прекрасная гравюра голландского художника XVII века с надписью над изображением Улугбека "Преемник, серьёзное дело вручаю!" - где Улугбек по правую руку от богини астрономии Урании. 

В 1964 году рядом с местом, где находилась обсерватория, был открыт мемориальный музей Улугбека. Здесь выставлены отрывки из знаменитых таблиц со сведениями о звёздах, вычисленных Улугбеком и его соратниками, фотографии раскопок, коллекция древних астрономических инструментов, фрески, изображающие эпизоды жизни астронома