Jedním z hlavních cílů České astronomické společnosti, která byla ustavena v roce 1917, bylo zřídit v Praze hvězdárnu, která by popularizovala výsledky astronomie pro širokou veřejnost. Těmto snahám dala kupodivu reálnější směr tragická smrt jednoho ze zakladatelů československého státu, generála Milana Rastislava Štefánika. Štefánik, který vstoupil do národního povědomí hlavně jako voják, letec a diplomat, byl ale i vynikajícím astronomem, který působil v předválečném období hlavně ve Francii. Již v roce 1919 založila Česká astronomická společnost spolu s městem Prahou „Fond k uctění památky Štefánikovy“, jehož úkolem mělo být shromáždění prostředků pro stavbu Šefánikovy hvězdárny.
Zatímco Společnost z příspěvků a darů začala nakupovat přístroje pro budoucí observatoř, vlastní stavba hvězdárny byla stále v nedohlednu. Zájem občanů o astronomická pozorování však byl mimořádný, a proto Společnost zřídila provizorní pozorovatelnu v Gröbových, dnes Havlíčkových sadech. Naprosto nevhodné prostředí vlhké jeskyně ale tato pozorování brzy znemožnilo, podobně dopadl i pokus vrátit astronomická pozorování na klementinskou věž. Po roce 1926 proto bylo rozhodnuto vybudovat zcela novou hvězdárnu na Petříně při Hladové zdi. Pražská obec propůjčila k tomu účelu parcelu, na níž stála bašta opevnění se strážním domkem, a pověřila Českou astronomickou společnost organizováním a řízením stavby hvězdárny. Nejdříve se započalo s přístavbou východního křídla s kopulí pro hledač komet, první velký dalekohled, který Česká astronomická společnost pořídila. Po dokončení této etapy byla hvězdárna v roce 1928 zpřístupněna nejprve členům astronomické společnosti a od května roku 1929 pak i široké veřejnosti.
Stavba hvězdárny a ostatních kupolí pokračovala a byla dokončena r. 1930. Do nové hlavní kupole byl umístěn Zeissův dvojitý astrograf zakoupený z pozůstalosti vídeňského astronoma Rudolfa Königa. Na realizaci projektu tehdy přispěl i prezident T. G. Masaryk. Dalekohled byl upevněn na patnáctimetrový pilíř, zazděný v základech o hloubce sedm a půl metru.
Současnou podobu získala hvězdárna při rozsáhlé rekonstrukci v polovině sedmdesátých let. Objekt byl zvýšen o jedno patro, byl rozšířen počet pracovišť a bylo podstatně zlepšeno vybavení. I když má dnes hvězdárna dalekohledy s větším průměrem objektivu, původní Zeissův dalekohled je stále její vznešenou dominantou umístěnou v hlavní kopuli. V druhé veřejnosti přístupné kopuli, západní, je umístěn zrcadlový dalekohled typu Maksutov-Cassegrain.
Od roku 1979 je Štefánikova hvězdárna součástí Hvězdárny a planetária hlavního města Prahy, kam dále patří planetárium v pražské Stromovce a menší hvězdárna v Ďáblicích. V listopadu roku 2018 tato střediska vytvořila platformu Planetum.
Návštěvníci hvězdárny mohou za jasného počasí pozorovat ve dne Slunce se slunečními skvrnami, protuberance a někdy i planetu Venuši. Večer pak lze pozorovat povrch Měsíce, planety, dvojhvězdy i vícenásobné hvězdy, kulové a otevřené hvězdokupy a v případě případě příznivých podmínek i galaxie a mlhoviny. Ke všem pozorováním dostanou návštěvníci odborný výklad.