1931年5月，国立第一天文台终于在紫金山上开工兴建。工程采用点工制，即自备材料，另外雇用监工、账房、工头各一人，分别负责工程监督和点名、发放工资、购办材料及招募工友等事宜。其余瓦匠、木匠、电匠等均按日计算发放工资。早在余青松第一次勘察紫金山时就对天堡峰上那些质地坚硬的虎皮石留下了深刻的印象，这次开工后，那些虎皮石也派上了用场，从打地基到砌墙面用的都是这种石头，不仅使天文台的建筑十分坚固，而且由于就地取材也节省了大量开支。
从1931年到1934年，一批建筑陆续在紫金山上落成，它们是：
天文台本部（总办公室包括大赤道仪室，紫台人称之为：大台） 系二层，取长方形，后连大赤道仪圆顶。上层为办公室、研究室图书会客室等，下层为储藏室、庶务室、工役室等。圆顶下层为照相暗室。整个建筑极具特色，它的大门被筑成牌坊式，上面覆盖有琉璃瓦，平台栏杆采用天坛式人造石栏都镂刻有蟠龙；大赤道仪室圆顶是由基泰工程师依据瑞士工厂活窗、活顶图样设计的，直径为8米，可谓中西合璧。内安设600mm反光望远镜，这是1934年向德国蔡司公司订购的，望远镜反光镜焦距为3米，加上卡塞格林副镜，焦距可达10米，附有一个石英制双层棱镜分光摄影器和观测升降机，价值12.2万国币，是当时远东最大的望远镜。该建筑奠基于民国二十二年（1933年）12月22日冬至。原碑文由汪精卫题写，后被毁。现为张钰哲1984年按原碑文重书。
天文台本部
子午仪室
是紫金山天文台最早落成的建筑，为安设子午仪而建。下层有一地下室，安设电气主钟二具，这是因为天文钟和子午仪关系最密切，放在一起最是相宜。地下室用木屑填实四周，温度终年不变。子午仪室活顶、活窗由上海远大铁工厂根据瑞士制子午仪工厂附来的图纸制造。奠基于民国二十一年（1932年）6月21日夏至。碑文由时任中央研究院院长蔡元培题写。
小赤道仪室（包括太阳分光仪室） 小赤道仪室圆顶直径5.5米，由上海礼和洋行在德国制造，制成后运来由中国工人自己安装。安设200mm折光赤道仪一座。有研究室、太阳分光仪室、照相暗室等。奠基于民国二十二年（1933年）9月23日秋分。
变星仪室 变星仪室高四层，上部圆顶直径四米，内设100mm罗氏式变星照相镜一具，下部有研究室、暗室等。仪座高十二米，方形中空，这样可以把日光从塔顶反射到塔底，预备日后增设太阳分光仪之用。变星仪室圆顶由天文所金氏和宏记土木模仿小赤道仪圆顶自己制造。奠基于民国二十三年（1934年）3月21日春分。碑文由国民党元老于右任所题，在1966年被毁。现在人们看到的是严济慈于1984年紫金山天文台50年台庆时重新书写的。
变星仪室
另外还有大宿舍（职员宿舍）和小宿舍（所长宿舍）、大门及传达室、警卫室、配电房、蓄水池和气象塔等建筑。各部建筑的造价如下：天文台路约二万五千元，天文台本部约五万元，子午仪室约三万七千元，小赤道仪室一万三千元，职员宿舍约三万五千元，所长宿舍约一万五千元，变星仪室约一万二千元，其余建筑一万余元。总计约十九万元。
1934年的夏天，紫金山天文台的主要建筑已基本完工，天文研究所人员告别了位于鼓楼的临时所址，迁到山上办公。揭幕典礼在1934年9月1日举行
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