В архивном фонде хранится богатый материал, охватывающий всю историю обсерватории с момента ее основания. При передаче обсерватории из Морского ведомства в Пулковскую обсерваторию было принято решение оставить архив в обсерватории. Об этом говорится в рапорте Коллежского Асессора Михалевича в Главное Гидрографическое управление: «…Относительно сохранения дел Николаевской Обсерватории, могущих иметь значение для ея истории, я после обмена мнений с заведующим Обсерваторией Б.П. Остащенко-Кудрявцевым, пришел к убеждению, что вследствие тесной связи переписки Обсерватории с ея научной деятельностью, надлежало бы оставить на Николаевской Обсерватории все дела ея, образовав при библиотеке особый архивный отдел…».

Систематизированная часть архива включает три описи.

Опись 1. Научная документация — 1073 единиц хранения, содержит журналы наблюдений и обработки на инструментах в период с 1924 по 1958 гг.

Опись 2. Научно-организационная документация — около 650 единиц хранения, содержит документы научно-организационного характера с 1820 по 1967 гг.

Опись 3. Документальные материалы по личному составу за 1920-1967 гг. - около 180 единиц хранения.

Несистематизированная часть архива содержит документы научного и научно-организационного характера, начиная с 1967 года, фото- и видео- материалы и т. д. Кроме того, в настоящее время создается электронный архив обсерватории, в котором размещаются электронные копии новых материалов, имеющих отношение к истории Николаевской обсерватории. Сюда входят документы, обнаруженные в других архивах, фотоматериалы из личных архивов сотрудников, переписка с наследниками первых директоров обсерватории и т. д.

На основе изучения архивных материалов сотрудниками обсерватории выпущен ряд сборников и статей, посвященных истории Николаевской обсерватории и деятельности ее выдающихся личностей.