Историко-астрономические исследования как научное направление оформилось в НИИ НАО в начале 21 века. С 2003 года работа проводится в рамках поисковой темы «История» и направлена на изучение вклада НАО в астрометрические исследования, освещение деятельности отдельных ученых в различных областях астрономии, исследование истории экспедиций Николаевской обсерватории. До 2006 года руководителем темы являлся доктор физико-математических наук Г.М. Петров, а в настоящее время данное направление возглавляет доктор физико-математических наук, профессор Г.И. Пинигин.

Николаевская обсерватория имеет богатую почти двухсотлетнюю историю развития. Хорошим подспорьем в исследованиях является архив обсерватории, в котором хранятся документы с момента ее основания и по настоящее время. Важной задачей является изучение архивных материалов и написание на их основе биографических сборников, посвященных выдающимся личностям в истории обсерватории, а также статей с описанием различных этапов в развитии нашей обсерватории. К настоящему времени подробно изучен морской период, с 1821 года до начала 20 века, и выпущены биобиблиографические сборники о двух первых директорах Карле Кнорре и Иване Кортацци. Кроме того, в результате творческого сотрудничества с потомками К. Кнорре появлись на свет французский перевод книги о К. Кнорре, а также новая книга о династии астрономов Кнорре (на русском и английском языке). На сегодняшний день сотрудники приступили к подробному изучению периода, относящегося к Николаевскому отделению Пулковской обсерватории.

Другим направлением работы является участие с 2005 года в проекте ЮНЕСКО «Астрономия и мировое наследие» с целью продвижения Николаевской обсерватории как объекта всемирного наследия. Благодаря взаимодействию с Национальной комиссией по делам ЮНЕСКО в Украине и Государственным комитетом по культурному наследию в 2007 году Николавская обсерватория была включена в Предварительный список всемирного наследия ЮНЕСКО. Кроме того, по инициативе и под руководством НИИ НАО была создана экспертная астрономическая группа в Украине, результатом работы которой явилось включение в 2008 году серийного объекта «Астрономические обсерватории Украины» в Предварительный список ЮНЕСКО. Более подробная информация содержится в разделе «Всемирное наследие».

Еще одним направлением деятельности группы историко-астрономических исследований является работа с музеем, архивом и библиотекой. С течением времени в обсерватории накапливались старые инструменты и оборудование, формировался фонд старинных и редких изданий. Все это требует систематизации и описания, оформления музейных экспозиций, ремонта и реставрации павильонов для их размещения. Кроме того, в рамках празднования Международного Года Астрономии 2009 были созданы новые мемориальные знаки, а именно, установлен символический Центр Николаевской обсерватории и открыта памятная доска в честь первого директора К. Кнорре.