Fu progettato un osservatorio inferiore, addossato alla parete est della torre a 16 metri dal suolo, e uno superiore a 35 metri dal suolo, al piano delle merlature. Sopra di questo, furono edificati due cupolini per collocarvi altri strumenti e una torretta per le scale di accesso al piano di questi.
L’osservatorio inferiore fu in seguito chiamato sala meridiana: qui infatti si misurava il mezzogiorno locale sulla linea meridiana incisa nel pavimento, e si osservavano gli astri nel passaggio al meridiano celeste.
L’osservatorio superiore, a pianta ottagonale, aveva pareti alte 8 metri e sei grandi finestre di quasi 6 metri di altezza dotate di imposte che originariamente potevano rientrare nel muro; questo ambiente era destinato ad osservazioni astronomiche con cannocchiali di vario tipo da poter rivolgere in qualunque direzione del cielo, anche uscendo nella circostante terrazza a pianta quadrata. Fu in seguito chiamato ‘sala delle figure’ per i dipinti a fresco che l’adornavano.

La terrazza sopra la sala meridiana era destinata alle osservazioni meteorologiche con gli strumenti qui collocati: infatti fu incombenza degli astronomi, fino agli inizi del secolo ventesimo, registrare, giorno per giorno, la temperatura, la pressione, la quantità d’acqua caduta in caso di pioggia, segnalare lo stato del cielo (sereno o nuvoloso, ecc.) e i venti.

Vincenzo Chiminello (1741-1815), nipote di Toaldo e astronomo aggiunto alla Specola, divenne direttore e professore di astronomia alla morte dello zio. La caduta della Repubblica di Venezia, avvenuta nel maggio 1797, segnò l’inizio di tempi difficili per l’Osservatorio padovano. Francesi e Austriaci si alternarono per otto volte al governo della città, creando una situazione di confusione politica e amministrativa, e insieme di degrado economico, che cessarono in parte con il napoleonico Regno d’Italia nato nel 1805. Nel 1813, il territorio veneto passò di fatto sotto il dominio degli Asburgo. Negli anni difficili Chiminello si trovò a continuare da solo sia le osservazioni astronomiche che meteorologiche, supplendo alle necessità della Specola anche col patrimonio personale, salvandola così da un oscuro destino.

A Chiminello succedette nella carica Giovanni Santini (1787-1877), che divenne formalmente direttore nel 1817. Il giovane ed energico astronomo si adoperò fin dall’inizio per rinnovare la modesta e obsoleta strumentazione scientifica della Specola. Nel 1836, nella terrazza situata sopra la sala meridiana, egli fece costruire un padiglione ottagonale per collocarvi un circolo meridiano, uno strumento più preciso di quelli settecenteschi, per misurare le posizioni delle stelle. Nel 1858 alla sommità della torre fu edificato un terzo cupolino al posto della torretta delle scale. In esso fu collocato un nuovo più moderno cannocchiale, un rifrattore di Starke a montatura equatoriale.

Dopo la morte di Santini avvenuta nel 1877, il suo allievo prediletto Giuseppe Lorenzoni (1843-1914) divenne direttore dell’Osservatorio. Fu sotto la sua direzione che la Specola si arricchì di un prestigioso cannocchiale, un rifrattore di Merz con obiettivo di 19 cm. Per collocare il nuovo strumento, nel 1882 fu edificato un padiglione cilindrico sopra il bastione trecentesco che divide il fiume Bacchiglione in due rami, in prossimità della Specola. Fu questo l’ultimo grande strumento acquistato per l’Osservatorio padovano.

Nel 1913 a Lorenzoni succedette come direttore della Specola Antonio Maria Antoniazzi (1872-1925). Varie furono le sue sconsolate petizioni per avere finanziamenti e rinnovare il vecchio patrimonio strumentario della Specola. Ma la prima guerra mondiale era alle porte, e quando scoppiò, la torre dell’Osservatorio fu requisita dai militari per l’avvistamento degli aerei nemici: la città di Padova, infatti, si trovava nelle retrovie dello scenario bellico ed era la sede del comando supremo. Alcuni anni dopo la fine della guerra, un decreto ministeriale del 31 dicembre 1923 separò amministrativamente dall’Università l’Osservatorio astronomico.

Alla morte prematura di Antoniazzi, divenne direttore della Specola Giovanni Silva (1882-1957); fin dagli inizi degli anni ’30, egli si adoperò per dotare l’astronomia padovana di un grande telescopio indispensabile per le moderne ricerche astrofisiche. Ma qui comincia un’altra storia per l’Osservatorio padovano, quella dei grandi telescopi della sede di Asiago.