Історико-астрономічні дослідження як науковий напрям сформувався в НДІ МАО на початку 21 століття. З 2003 року робота проводиться в рамках пошукової теми «Історія» та спрямована на вивчення вкладу НАО в астрометричні дослідження, висвітлення діяльності окремих учених у різних областях астрономії, дослідження історії експедицій Миколаївської обсерваторії. До 2006 року керівником теми був доктор фізико-математичних наук Г.М. Петров, а в даний час цей напрямок очолює доктор фізико-математичних наук, професор Г.І. Пінігін.

Миколаївська обсерваторія має багату майже двохсотлітню історію розвитку. Суттєву допомогу в дослідженнях надає архів обсерваторії, в якому зберігаються документи з моменту її заснування по теперішній час. Важливим завданням є вивчення архівних матеріалів та написання на їх основі біографічних збірників, присвячених видатним особистостям в історії обсерваторії, а також статей з описом різних етапів розвитку нашої обсерваторії. До теперішнього часу докладно вивчений морський період, з 1821 року до початку 20 століття, і випущені біобібліографічні збірники про двох перших директорів Карла Кнорре та Івана Кортацці. Крім того, в результаті творчої співпраці з нащадками К. Кнорре з'явився на світ французький переклад книги про К. Кнорре, а також нова книга про династію астрономів Кнорре (російською та англійською мовами). На сьогоднішній день співробітники приступили до докладного вивчення періоду, що відноситься до Миколаївського відділення Пулковської обсерваторії.

Іншим напрямом роботи є участь з 2005 року в проекті ЮНЕСКО «Астрономія і світова спадщина» з метою просування Миколаївської обсерваторії як об'єкта всесвітньої спадщини. Завдяки взаємодії з Національною комісією у справах ЮНЕСКО по Україні та Державним комітетом з культурної спадщини у 2007 році Миколаївська обсерваторія була включена в Попередній список всесвітньої спадщини ЮНЕСКО. Крім того, за ініціативою і під керівництвом НДІ МАО була створена експертна астрономічна група в Україні, результатом роботи якої стало включення в 2008 році серійного об'єкта «Астрономічні обсерваторії України» в Попередній список ЮНЕСКО. Більш детальна інформація міститься у розділі «Світова спадщина».

Ще одним напрямком діяльності групи історико-астрономічних досліджень є робота з музеєм, архівом і бібліотекою. З плином часу в обсерваторії накопичувалися старі інструменти та обладнання, формувався фонд старовинних і рідкісних видань. Все це вимагає систематизації та опису, оформлення музейних експозицій, ремонту та реставрації павільйонів для їх розміщення. Крім того, в рамках святкування Міжнародного Року Астрономії 2009 були створені нові меморіальні знаки, а саме, встановлено символічний Центр Миколаївської обсерваторії і відкрита пам'ятна дошка на честь першого директора К. Кнорре.