В Научно-исследовательском институте «Николаевская астрономическая обсерватория» наряду с основной научной деятельностью ведется и научно-просветительская работа. С целью популяризации астрономии несколько поколений сотрудников сберегали старые астрономические инструменты, коллекцию астрономических часов, старинные книги, фотографии, картины, карты. Все это собрание и составляет фонд музея НИИ НАО. В настоящее время в музее находится свыше 150 экспонатов. Экспозиция размещается в Круглом зале Главного здания и двух астрономических павильонах.

В Круглом зале представлена собрание астрономических часов, которое содержит ряд уникальных высокоточных механических часов, изготовленных в 18-20 веках известными английскими, голландскими, немецкими и отечественными мастерами. Механические астрономические часы почти полтора века использовались в процессе наблюдений в обсерватории. Большое внимание при изготовлении часов в 18-19 вв. уделялось художественной стороне: корпуса часов инкрустированы металлом, украшены точеными металлическими деталями, разнообразны по исполнению и маятники часов. Дополнением к коллекции часов служат хронометры, астрономический будильник, циферблат Фаворже.

Здесь же в Круглом зале демонстрируется пассажный инструмент «Бамберг 6353» начала 20 столетия, использовавшийся в работе службы времени, и переносной вертикальный круг фирмы Репсольда (D=40mm, F=500mm), изготовленный в 1868 году и приобретенный вторым директором И.Е. Кортацци для определения долгот и широт пунктов на побережье Черного моря. В зале размещена коллекция астрономо-геодезических и навигационных приборов, относящихся к морскому периоду обсерватории: секстант Negretti & Zambra, солнечные часы московской фирмы ЗЕТЕРЪ, полиметр Ламбрехта, морской компас и компас фирмы Брауэра (Санкт-Петербург), эталон метра Фортена (около1830г.) и т.д.

Украшением музея является портретная галерея выдающихся личностей и директоров обсерватории, подаренная николаевской художницей И.О. Мяло к 185-летней годовщине обсерватории. Собрание содержит 12 портретов, среди них портреты основателя г. Николаева Г.А. Потемкина, основателя Николаевской обсерватории адмирала А.С.Грейга, первых трех директоров Пулковской обсерватории и т. д. Кстати, автор портретов — внучатая племянница старейшего механика нашей обсерватории И.И.Пономаренко.

В витринах музея представлены некоторые выдающиеся печатные труды первых директоров НАО и николаевских астрономов прошлого, а также печатные издания обсерватории последних лет. Фотостенды музея отражают важные моменты научной и практической деятельности обсерватории от основания обсерватории до конца 20 столетия: наблюдения на инструментах и строительство павильонов, работу службы времени, работу астрономов НАО в экспедициях на о.Шпицберген и на Северном Кавказе. Отдельный стенд посвящен аксиальному меридианному кругу, получившему в 1999г. статус Национального достояния Украины.

В центре зала установлена гранитная плита, символизирующая Центр обсерватории. На плите изображена четырехлучевая «роза ветров», ориентированная по меридиану (длинный луч) и первому вертикалу (короткий луч). Изображение двух взаимно перпендикулярных лучей представляет стилизованный меридианный инструмент — меридианный круг и пассажный инструмент, которые были первыми телескопами Николаевской обсерватории. На плите обозначены исторические координаты Николаевской обсерватории, определенные ее первым директором К. Кнорре.

В двух павильонах размещены меридианный круг Репсольда и вертикальный круг Репсольда, которые были отреставрированы и переданы в музей НИИ НАО.

Меридианный круг Репсольда (D=150mm, F=2150mm) был заказан фирме Репсольд (Гамбург) в 1834 году известным астрономом В.Я. Струве для Пулковской обсерватории. Более ста лет, начиная с 1840 года, на нем выполнялись регулярные наблюдения. Инструмент сильно пострадал во время Великой Отечественной войны. В 1955 году он был перевезен в Николаев и после восстановления и реставрации приступил к наблюдениям. На инструменте несколько раз осуществлялась модернизация регистрирующих устройств. За более чем 40 лет в НАО на нем было получено 9 разных каталогов положений звезд.

Вертикальный круг Репсольда (D=108mm, F=140mm) был заказан в 1897 году фирме братьев Репсольд в Гамбурге директором Пулковской обсерватории О.А. Баклундом. В 1899 году на нем начались регулярные наблюдения в Одесском отделении Пулковской обсерватории. Инструмент был перевезен в Николаев к моменту открытия Николаевского отделения Пулковской обсерватории в 1913 году. Наблюдения на вертикальном круге проводились до 1985 года. На нем было получено 5 абсолютных каталогов склонения звезд.