元末明初，因为比年战役，元司露台的悉数修建均遭破坏。明正统七年（1442年），在元代司露台南侧树立了观星台，即保存至今的古观象台。观星台建成后，明英宗大喜，撰《观天器铭》曰：“粤古大圣，体天施治。敬天以心，观天以器。”
见证东西方文化沟通
徐光启（1562年—1633年）是明朝最终一个担任钦天监的官员，官至礼部尚书兼文渊阁大学士、内阁次辅。钦天监是明清时期观测天象、计算节气、拟定历法的官方组织。万历三十一年（1603年），徐光启入天主教，教名保禄。他随西方传教士利玛窦学习西方的地理、历法、数学、丈量和水利等科学技术，一生致力于科技研讨，勤勉著作，是介绍和吸收欧洲科学技术的活跃推动者。他历经万历、天启、崇祯三朝，官场上三起三落。因为钦天监计算日食禁绝，崇祯皇帝当政后，召回了已赋闲在家的旧臣徐光启，要他掌管历法变革。徐光启找来德国人汤若望等参加这项作业。因为年事已高、过分专心，徐光启不小心从观象台上摔下来，腰部受了伤。崇祯六年（1633年），徐光启逝世。
上海徐家汇是徐光启的故土，徐家汇本名法华汇，为了留念徐光启而改名为徐家汇。徐光启墓就坐落徐家汇南丹路的光启公园内。崇祯七年（1634年），卷帙浩繁的《崇祯历书》总算完结。这部历法合计46种、137卷，标志着我国地理学从此用西方的计算方法拟定历书。崇祯十七年（1644年），崇祯皇帝将其颁行全国。
清朝入主中原后，顺治二年（1645年），汤若望将《崇祯历书》压缩成《西洋新法历书》103卷，进呈清廷。清廷将其定名为《时宪历》并颁行全国，册面上印有“依西洋新法”五字。从此，《时宪历》成为每年编制历书和各种地理计算的根据，直至现在仍是我国编制阴历的根底。汤若望被任命为钦天监监正，成为我国前史上的榜首个“洋监正”。
顺治皇帝逝世后，汤若望失掉了维护人，命运发生了巨大转机。早在顺治十六年（1659年），对立西法制历的杨光先即作《辟邪论》，指斥天主教为邪教，次年又上疏呵斥汤若望在《时宪历》封面上题写“依西洋新法”是“借大清之历以张大其西洋，而使全国万国晓然知大清奉西洋之正朔”。因其时顺治皇帝尚在，汤若望未受影响。康熙初年，汤若望等人遭到清廷守旧派的冲击，《时宪历》被废止，汤若望被判死刑。康熙四年（1665年），在孝庄皇太后的干涉下，汤若望被赦宥，但失掉钦天监监正一职，朝廷改派杨光先为钦天监监正。次年，汤若望逝世。康熙七年（1668年），康熙皇帝亲政，为汤若望平反，康复其“通玄教师”之名。
其时，清廷在历法计算上分为两派，年仅13岁的康熙皇帝特意举办了一场较量。较量时，比利时人南怀仁准确测出正午日影方位，所以康熙皇帝下旨，“历法地理，概第南怀仁照料。”杨光先被除名，南怀仁任钦天监监正，康复《时宪历》。
尔后，康熙皇帝命南怀仁规划监造了６架新的地理仪器。至今，这些仪器作为中西科学沟通的前史见证，仍陈设在北京古观象台。
南怀仁是康熙皇帝的科学教师，曾经在长达5个月的时间里，从早到晚给康熙皇帝教学几许学和地理学，还将《几许本来》译成满文，并伴随皇帝出巡，沿途为其观天测地。康熙二十七年（1688年），南怀仁逝世，康熙皇帝为其举办了盛大葬礼，赐谥号“勤敏”，并亲身编撰祭文：
尔南怀仁，秉心质朴，四野淹通。来华既协灵台之掌，复储武库之需……可谓莅来惟精，奉职费懈者矣。遽闻溘逝，殷切悼伤。追念成劳，易名勤敏。
康熙此谕，用满汉两种文字刻在南怀仁石碑的碑阴，碑阳则用汉文和拉丁文镌刻。
在古观象台西侧有一个院子，是典型的北方四合院式结构，包含正房、东厢房、西厢房。作为古观象台的一部分，这是其时的国家观象组织——钦天监工作的当地。这个四合院是明代修建，正殿紫微殿悬挂着清朝乾隆皇帝题写的匾额“观象授时”。这四个字归纳了观象台的功能：观测日月星辰运转的规则，据以拟定和公布历法。正殿西侧是汤若望、南怀仁其时的工作室，至今保存。
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