公元1937年7月，中国抗日战争爆发，受战乱波及，中央研究院天文研究所的工作人员被迫撤离当时的首都南京。研究所首先撤到湖南长沙，不久后又转移至广西桂林，最后搬迁到云南昆明市。当时的研究所所长余青松认为昆明市一带地区地高云薄，天气良好，夜晚星光明晰，非常适合天文观测，因此他决定在此处建立天文台，继续天文观测研究。经过四处实地勘测选址，这座战时天文台最终定在昆明市东郊的凤凰山上。其后，余青松与天文所的职员们亲自测绘实际地形，自己设计天文台的建筑蓝图，最后委托同时因躲避战乱而转移到昆明的上海陆根记营造厂建筑。1938年秋季动工后，凤凰山天文台于来年（1939年）春季建成，共含四栋建筑，包括一座办公楼（同楼有变星仪观测室、太阳分光仪观测室和图书室）、一座中星仪室、一座职员宿舍以及工友宿舍和厨房。同年，天文台投入使用，恢复了天文研究所中断了两年多的天文观测研究。

抗战胜利后，中央研究院天文研究所迁回南京，在凤凰山留下一个工作站，该站隶属关系几经变更，1972年经国家计委批准，正式成立中国科学院云南天文台。2001年，经中央机构编制委员会批准，将北京天文台、云南天文台等单位，整合为国家天文台。云南天文台保留原级别，并具有法人资格。

云南天文台现有主要设备包括：上世纪80年代由德国引进的1米光学望远镜一台，1.2米国产地平式光学望远镜一台，2006年从英国引进的2.4米光学望远镜一台，用于承担探月工程地面数据接收任务的国产40米射电望远镜一台等。

2012年，云南天文台历史建筑群被云南省人民政府列为省级文物保护单位。