Sau khi lên ngôi năm 1802, vua Gia Long cho thành lập cơ quan khí tượng mang tên Khâm Thiên Giám để xem thiên văn, dự báo thời tiết, làm lịch cùng các công việc liên quan. Ngày giờ diễn ra các lễ quan trọng của triều Nguyễn xưa đều được cơ quan này tư vấn như ngày giờ lễ Tế Giao, lễ Đăng cơ của vua, lễ công bố bảng vàng khoa cử...
Năm 1826, thời vua Minh Mạng, trụ sở chính của Khâm Thiên Giám được xây dựng nằm trong kinh thành Huế. Một năm sau, vua cho xây Quan Tượng Đài ở phía tây nam kinh thành Huế với chiều cao 4,2 m làm đài quan sát. Tại đài quan sát, ngoài việc dựng cột và treo cờ xem hướng gió, triều đình cũng dựng một căn đình bát giác gọi là Bát Phong Đình.
Năm 1827, vua Minh Mạng dụ: Khâm Thiên Giám hàng ngày treo cờ đài đều dùng cờ đuôi nheo. Để ghi nhớ, giờ mão treo cờ xanh, giờ thìn cờ vàng, giờ tỵ cờ đỏ nhạt, giờ ngọ cờ đỏ thẫm, giờ mùi cờ vàng tươi, giờ thân cờ sắc hoa cà, giờ dậu cờ sắc lam nhạt. Triều đình cũng treo thêm cờ ở Quan Tượng Đài để xem hướng gió.
Theo sách Khâm định Đại nam Hội điển sự lệ, tổ chức nhân sự làm việc tại Khâm Thiên Giám vào các thời vua Nguyễn khác nhau. Thời vua Gia Long và đầu thời vua Minh Mạng, Khâm Thiên Giám có khoảng 60 quan lại làm việc, đến thời vua Thiệu Trị chỉ còn 20 người.
Đứng đầu Khâm Thiên Giám là quan đại thần kiêm nhiệm và được gọi với chức danh là Kiêm quản Khâm Thiên Giám sự vụ đại thần. Trong công việc hàng ngày, Khâm Thiên Giám được điều hành bởi 2 quan Giám chính, Giám phó cùng các thuộc viên là Ngũ quan chính, Linh đài lang cùng các Bát cửu phẩm Thư lại và Vị nhập lưu Thư lại.
Việc bổ nhiệm nhân sự vào Khâm Thiên Giám không có sự phân biệt địa vị xã hội. Triều Nguyễn chỉ chú trọng người nào có tài, am hiểu thông văn địa lý.
Để chiêu hiền đãi sĩ vào làm việc tại Khâm Thiên Giám, năm 1836 vua Minh Mạng dụ: “Bộ Lễ thông báo đến các tỉnh Bắc Kỳ, nếu có người chiêm nghiệm tinh tường, suy xét mưa gió, cùng thông hiểu lịch thất chính (độ số trăng, sao) không phân biệt quan dân, các địa phương cấp bằng cho đến kinh đô để bổ dụng vào làm ở Khâm Thiên giám".
Triều Nguyễn cũng cấp cho Khâm Thiên Giám nhiều bộ sách về thuật số, phong thủy, vật lý cùng các loại dụng cụ liên quan đến việc đo lường, xác định khí tượng như ống ngắm, bàn xem hướng gió, dụng cụ đo bóng mặt trời. Đó là những trang thiết bị tối thiểu cho việc xem giờ, báo giờ, chọn ngày giờ, làm lịch, dự báo thời tiết.
Đến năm 1918, thời vua Khải Định, Khâm Thiên Giám được chuyển đến gần bộ Học (khu vực phường Thuận Thành, TP Huế ngày nay) và tồn tại cho đến năm 1945 khi triều Nguyễn kết thúc.
Trải qua năm tháng chiến tranh cùng sự xâm lấn của các hộ dân, trụ sở Khâm Thiên Giám triều Nguyễn xưa kia nằm trên đường Hàn Thuyên (phường Thuận Thành, TP Huế) đã đổ nát. Khu nhà được cho là nơi làm việc của các quan trong Khâm Thiên Giám ngày xưa, nay có nhiều hộ dân sinh sống.
Hiện chỉ còn Quan Tượng Đài, một công trình thuộc Khâm Thiên Giám, được Trung tâm Bảo tồn Di tích cố đô Huế hoàn thành trùng tu vào năm 2013.
Võ Thạnh