中国科学院上海天文台的研究方向集中在多个领域，其中天文地球动力学是核心，利用VLBI、SLR、GPS等多种现代空间测量技术，进行高精度地球整体与各圈层物质运动监测，建立高精度天文参考系，并进行地球动力学特性研究。此外，星系宇宙学则探索星团、星系结构与演化，以及宇宙大尺度结构和活动星系核等课题，参与国内外大型天文观测项目，如LAMOST，致力于星系形成和宇宙结构形成理论模型的构建。
VLBI技术方面，上海天文台有着30多年的研究历史，发展了包括制冷双偏振接收机在内的VLBI技术，参与国际VLBI观测研究，对银河系旋臂结构和活动星系核进行高精度观测，为深空探测提供支持。同时，氢原子钟技术也取得突破，上海天文台是国内唯一氢原子钟生产单位，研发的氢钟精度高且稳定可靠，应用于卫星精密定轨和深空探测。
在地理学研究方面，叶叔华院士的项目集中于现代地壳运动和地球动力学，利用空间技术如VLBI、SLR等监测地壳运动，对青藏高原和地球各圈层物质运动进行深入研究，为防灾减灾提供科学依据。同时，APSG计划旨在联合亚太地区研究地球动力学现象，关注板块运动、地壳形变和海平面变化等关键问题。
在宇宙学领域，景益鹏研究员主持的项目研究宇宙大尺度结构和星系形成，涉及暗物质、宇宙原初扰动等前沿问题。上海天文台的研究成果在国际上享有盛誉，例如银河系中心超大质量黑洞的发现，以及对银河系英仙臂距离的精确测量，都体现了其在该领域的领先地位。
中国科学院上海天文台成立于1962年，它的前身是法国天主教耶稣会1872年建立的徐家汇观象台和1900年建立的佘山观象台，现在是中国科学院引下属的天文研究机构，包括徐家汇和佘山两部分。全台现有职工人数213人，其中科技人员147人，中国科学院院士1人，中国工程院院士1人；研究员（包括正研级高级工程师）23人，副研究员、高级工程师58人，中级科技人员36人。现有在学博士生34人，在学硕士生75人；博士后7人，外国高级访问学者3人。2012年10月28日，亚洲最大的全方位可转动射电望远镜在上海天文台正式落成。