В архівному фонді зберігається багатий матеріал, що охоплює всю історію обсерваторії з моменту її заснування. При передачі обсерваторії з Морського відомства в Пулковську обсерваторію було прийнято рішення залишити архів у обсерваторії. Про це йдеться у рапорті Колезького Асесора Михалевича до Головного Гідрографічного управління: «…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…».

Систематизована частина архіву включає три опису.

Опис 1. Наукова документація - 1073 одиниць зберігання, містить журнали спостережень і обробки на інструментах у період з 1924 по 1958 рр..

Опис 2. Науково-організаційна документація - близько 650 одиниць зберігання, містить документи науково-організаційного характеру з 1820 по 1967 рр..

Опис 3. Документальні матеріали з особового складу за 1920-1967 рр.. - Близько 180 одиниць зберігання.

Не систематизована частина архіву містить документи наукового та науково-організаційного характеру, починаючи з 1967 року, фото-та відео-матеріали і т. д. Крім того, в даний час створюється електронний архів обсерваторії, в якому розміщуються електронні копії нових матеріалів, що мають відношення до історії Миколаївської обсерваторії. Сюди входять документи, виявлені в інших архівах, фотоматеріали з особистих архівів співробітників, листування зі спадкоємцями перших директорів обсерваторії і т. д.

На основі вивчення архівних матеріалів співробітниками обсерваторії випущений ряд збірників і статей, присвячених історії Миколаївської обсерваторії та діяльності її видатних особистостей (повний перелік можна знайти в розділі Історія).