Organizacją obserwatorium astronomicznego zajął się, wkrótce po przyjeździe do Torunia, prof. Władysław Dziewulski. Po wielomiesięcznych zabiegach uczelnia przejęła gospodarstwo rolne w Piwnicach, 12 km na północny-wschód od Torunia. Jesienią 1947 r. w Piwnicach rozpoczęto budowę pierwszego pawilonu obserwatorium z obrotową i otwieraną kopułą, w której dzięki staraniom profesorów: Dziewulskiego i Wilhelminy Iwanowskiej, umieszczono astrograf Drapera przysłany już w czerwcu 1947 r. przez prof. Harlowa Shapley’a, dyrektora Harvard College Observatory w Cambridge (USA). W 1949 r. astrograf zainstalowano w zbudowanym pawilonie i od 24 lipca tr. rozpoczęto prowadzenie pierwszych obserwacji nieba. W następnych dwóch latach, dzięki pomocy prof. Bertila Lindblada, otrzymano ze Szwecji dalsze instrumenty: teleskop paraboliczny w układzie Newtona i kamerę Schmidta. W 1953 r. z okazji 400. rocznicy śmierci M. Kopernika, rozpoczęto budowę dalszych pawilonów Obserwatorium Astronomicznego. W planie inwestycyjnym znalazły się: budynek główny, pracownie naukowe, biblioteka, pokoje noclegowe, warsztaty i dwa pawilony z kopułami o średnicy pięciu metrów. W latach 1957–1958 zakończono budowę dwóch małych kopuł oraz budynku: głównego, w którym umieszczono pracownie naukowe, bibliotekę, warsztat mechaniczno-elektryczny i pokoje noclegowe dla astronomów. Prace trwały do 1959, jednak z części zainstalowanych instrumentów korzystano już od 1957 r. (m.in. z krótkoogniskowego refraktora Zeissa i radioteleskopów do badań fal radiowych). Klasycyzujące elewacje gmachu głównego ozdobiono dekoracyjnymi sgraffitami o tematyce astronomicznej, na wzór podobnych w Wilnie. Nad drzwiami umieszczono motto Mikołaja Kopernika z traktu „O obrotach ciał niebieskich” — „Quid autem caelo pulcrius, nempe quod continet pulcra omnia...”.
W drugiej połowie lat 50. i początku lat 60. XX wieku nastąpiły zmiany w profilu badawczym i wyposażeniu toruńskiej astronomii. Pierwszym instrumentem radioastronomicznym była, zbudowana w drugiej połowie 1957 r., antena cylindryczno-paraboliczna o średnicy 12m×26m. Za jej pomocą udało się 6 lutego 1958 r. zarejestrować m.in. promieniowanie aktywnego Słońca. Ponieważ uległa ona zniszczeniu w ciągu kilku miesięcy zbudowano kolejną, sterowalną w azymucie i wysokości antenę paraboliczną o średnicy 12m, której w latach 1958–1960 używano do obserwacji Słońca. 1 października 1962 r. w Obserwatorium w Piwnicach uruchomiono największy wówczas w Polsce instrument obserwacyjny, uniwersalny teleskop Schmidta-Cassegraina (własność UMK i PAN).
