大赤道儀室（天文台歴史館）は、東京帝国大学営繕課が設計、中村與資平が施工し、大正15年（1926）に完成しました。構造は鉄筋コンクリート造２階建てで、地面からの高さが19.5m、ドームの直径が15mもある巨大な建築物です。
焦点距離１０mに及ぶ屈折望遠鏡をすっぽり納めた木製ドーム部分は、当時、半球面を作る技術が建築業者にはなく、造船所の技師の支援を得て造られた大変めずらしい建築になっています。
観測床（２階内側の赤茶色の床面）はエレベータ式に上下し、観測者は鏡筒の傾きにあわせて観測床を上下させることで、望遠鏡がどんな向きになっていても楽な姿勢で望遠鏡をのぞくことができました。
近年、老朽化にともない観測には使用されなくなりましたが、2001年春に国立天文台の歴史を紹介するパネルなどを展示し、天文台歴史館として新たにオープンしました。
また、2002年2月には「国登録有形文化財」に指定されました。
大赤道儀室にある65cm屈折望遠鏡は、屈折型の望遠鏡としては日本最大口径を誇ります。1929年に完成後、1960年に岡山天体物理観測所188cm反射望遠鏡が作られるまでは、最大口径機としてさまざまな観測に用いられました。特に長焦点の（筒の長い）望遠鏡を得意とする星の位置測定を主に行ってきました。
1998年３月をもって研究観測から引退し、現在では日本の天文学の記念碑的存在として静態保存されているものの、故障個所があるわけではなく、今でも現役復帰可能な状態です。
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天文台歴史館には、65cmの屈折望遠鏡のほか、明治期最古の望遠鏡や国立天文台の歴史を紹介するパネルが多数展示されています。天文・天体観測の歴史について学ぶことができます。
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