L'observatoire a été construit par Ulugh Beg de 1420 à 1429, sur la colline Kohik au nord de Samarcande. Son architecture a pu être reconstituée à partir des travaux d'archéologie menés au 20ème siècle. Il s'agissait d'un bâtiment circulaire de 3 étages, avec de nombreuses arches, un diamètre de 48m et une hauteur hors sol de 45m; il comportait de nombreux instruments de mesure et d'observation, dont un quadrant gradué d'un grand sextant curviligne.

Les fouilles ont été entreprises au début du 20ème siècle par V.L. Vyatkin, sur la base de divers documents (Baburname/16èmeS, Samariya/19èmeS, et surtout un document vaqf sur les propriétés cadastrales datant du 17ème. Les fouilles ont permis de dégager les fondations de l'observatoire, dont l'implantation était inconnue jusque là, et comprendre l'aménagement des lieux.
Après une longue interruption, les fouilles ont été reprises en 1941 par un groupe conduit par I.A. Suxarev, du Musée Archéologique de Samarcande, puis complétées en 1948 par l'archéologue Shishkinym.

L'Observatoire de Samarcande a périclité dès la disparition d'Ulugh Beg, et a été probablement détruit au 16ème, après le passage de Babur qui mentionne l'existence de ce grand bâtiment cylindrique couvert en tuiles dans ses récits de conquête [Babur].

L'instrument d'astronomie le plus important de l'observatoire était un sextant, le plus grand instrument de mesure méridienne jamais construit, orienté selon le méridien, qui permettait de mesurer la position des astres au dessus de l'horizon et leur passage au méridien.
Le sextant avait un diamètre global de 84m, le double de celui de Fakhri (Al-Khuyandi, du 10ème siècle), dont il s'est inspiré. La partie utile était un quadrant gradué en degrés de 20° à 80°, en minutes et secondes d'arc, limité de chaque côté par 2 barrières recouvertes de marbre. La partie inférieure du quadrant était située à 11 mètres sous la terre.

L'observatoire était équipé de nombreux autres instruments scientifiques, qui permettaient d'explorer le ciel et complétaient la spécialisation en observation méridienne du sextant. Ils ont permis d'établir les tables astronomiques et de décrire la sphère céleste, avec la position des constellations et des planètes, dont par exemple Saturne. Parmi les autres instruments présents dans l'observatoire, il y avait des sphères armillaires qui servaient à représenter le ciel, des astrolabes, un cercle azimutal gradué, un cadran solaire, etc.