Nel 1756 il gesuita Leonardo Ximenes fondò, nella parte più alta del convento di San Giovannino, un piccolo osservatorio astronomico che, dopo la soppressione della Compagnia di Gesù, fu affidato, nel 1775, ai Padri Scolopi. Alla morte dello Ximenes, seguendo la sua volontà testamentaria, furono istituite due cattedre, una di astronomia e una di idraulica, rimaste attive fino alla metà del secolo XIX. Nel 1813 fu avviata un'attività di rilevazione meteorologica, che si affiancava ai tradizionali studi di astronomia, di idraulica e di ingegneria. Particolare attenzione fu dedicata anche alla matematica, alla geodesia e alla cartografia: nel 1830 Giovanni Inghirami realizzava la prima "Carta Geometrica della Toscana" disegnata secondo moderni criteri cartografici. Dalla metà del secolo XIX, cessata l'attività astronomica, lo Ximeniano, grazie all'opera di Filippo Cecchi e poi di Guido Alfani, si occupò anche di sismologia, disciplina che proprio in quegli anni veniva costituendosi come scienza. L'opera di Cecchi e quella di Alfani hanno dato notevoli e importanti contributi allo sviluppo della sismologia in Italia.

L'Istituzione, dotata di due biblioteche (una antica e una moderna) e di un archivio storico, conserva importanti collezioni scientifiche. Gli strumenti sono collocati in diverse sale, nello stesso contesto d'uso per il quale furono acquisiti.

La Collezione Cecchi comprende principalmente gli strumenti dei Padri Scolopi Cecchi (sismografi e sismoscopi) e Alfani (sismografi meccanici, fotosismografi, sismometri elettromagnetici) e costituisce un itinerario storico-didattico che illustra il cammino della sismografia dagli apparecchi dei pionieri fino ai moderni sismografi. Gli strumenti sono stati realizzati nell'Osservatorio a partire dal 1873 e utilizzati per le ricerche che vi venivano intraprese. Comprende 9 complessi (sismografi), 42 strumenti sismografici, 11 avvisatori e sismoscopi.

La Collezione meteorologica è conservata nella Stazione e nel Laboratorio di Meteorologia, dove si conducono attualmente misure e ricerche sui fenomeni atmosferici. Comprende gli strumenti utilizzati nell'Osservatorio Meteorologico a partire dal 1813 (termometri, barometri, igrometri, strumentazione registrante, pluviografi, anemografi) e verrà integrata con dispositivi contemporanei. Tutti gli strumenti sono stati utilizzati – e in gran parte costruiti – nell'Osservatorio. Comprende 8 barometri, 25 termometri, 38 strumenti registratori complessi.

La collezione astronomica si riferisce principalmente a Ximenes, Del Ricco, Canovai, Inghirami, Antonelli. Comprende strumenti utilizzati fin dalla fondazione nell'Osservatorio per l'attività geodetica sul territorio toscano: cannocchiali, telescopi, teodoliti, strumenti geodetici, strumenti misti astronomici e geodetici, bussole, orologi astronomici e regolatori in genere, attrezzatura tecnica geodetica, riproduzioni di carte topografiche e geografiche nonché disegni tecnici. Parte a sé costituisce il complesso della Rotonda del Telescopio, con il grande telescopio riflettore di Tito Gonnella. L'esposizione è organizzata secondo criteri didattico-epistemologici, per un approccio storico generale al settore e per illustrare come l'attività scientifica dell'Osservatorio sia sempre stata concepita con fini applicativi al territorio.

Oggi l'Osservatorio è un Ente scientifico autonomo di misure e ricerca, che svolge funzioni di ricerca scientifica in campo geofisico e meteorologico. Istituzione di rilevanza toscana e nazionale, l'Osservatorio da più di trent'anni fa parte della Rete Sismica dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.