В 1428-1429 годах под Самаркандом, Улугбеком была построена одна из наиболее значительных в мире обсерваторий средневековья. По схеме обсерватория представляла круглое трехэтажное, напоминающее пещеру вглубь, здание диаметром 46,4 м. и высотой не менее 30 м., вмещало мраморный квадрант. В обсерватории Улугбека работали крупные астрономы, ученики Улугбека, Али-Кушчи и Кази-заде ар-Руми.

Среди многочисленных астрономических исследований Улугбека, проводившихся в данной обсерватории, большой интерес представляет бесценный труд Гурганский зидж – Каталог звездного неба, состоящий из описания 1018 звезд. Длина звездного года была определена Улугбеком в 365 дней, 6 часов, 10 минут, 8 секунд. Удивительно то, что наблюдения самаркандских астрономов велись без оптических приборов, а только невооруженным глазом. Согласно исследованиям ученых, в обсерватории имелись и другие инструменты, которые, к сожалению, не сохранились.

Первый в истории астрономии каталог звёзд составил великий астроном древности Гиппарх, живший во II веке до н.э. Каталог этого учёного содержит координаты около тысячи звёзд; он помещён в работе известного древнегреческого учёного Птолемея «Альмагест» (полное название этого трактата «Большое математическое построение астрономии в 13 книгах»), датированной примерно 140 г. н. э. Звёздный каталог Гиппарха ещё называют каталогом Гиппарха–Птолемея.

Проведенная в обсерватории Улугбека работа – это первое полное перенаблюдение звёзд из каталога Гиппарха–Птолемея через 16 веков после его создания. Каталог Улугбека содержит почти полностью те же звёзды, что и птолемеевский, но координаты в нём даны с более высокой точностью. По сути, Улугбек стал вторым (после Гиппарха) астрономом, составившим фундаментальный (на основании собственных наблюдений) каталог звёзд.

Чтобы составить каталог звёзд, нужно приложить огромные усилия, нужно много лет старательно и упорно работать. Звёздные каталоги очень ценны для науки. Они дают представление о распределении светил на небосводе в разные эпохи. Они же являются материалом для изучения движений небесных тел.

Европейским астрономам звёздный каталог Улугбека стал известен после его публикации в 1648 году —  где впервые была частично опубликована главная работа, выполненная в самаркандской обсерватории Улугбека. Работу подготовил к печати и прокомментировал Джон Гривс (1602—1652), профессор астрономии Оксфордского университета. Позже фрагменты каталога издавались в Англии неоднократно.

В «Каталоге звёздного неба», изданном  польским астрономом Яном Гевелием, есть уникальная гравюра, изображающая символическое собрание величайших астрономов мира, живших в разные времена в различных странах. Они сидят за столом, расположившись по обе стороны от музы астрономии Урании. Среди них изображён и Улугбек.

Спустя 17 лет после первой оксфордской публикации, учёный хранитель Бодлеянской библиотеки в Оксфорде, английский востоковед и переводчик Томас Хайд (1636—1703) подготовил и напечатал на персидском и латинском языках новое издание самаркандского каталога под названием «Tabulae Long, ас Lat. Stellarum Fixarum, ex observatione Ulugh Beighi», Oxonii, 1665.

Немецкий астроном и составитель карт Луны Иоганн Генрих фон Медлер в честь Улугбека назвал лунный кратер Улугбек, нанесённый на его лунную карту 1830 года.

Наиболее подробный анализ звездного каталога Улугбека, основанный на изучении 8 рукописей, хранившихся в библиотеках Великобритании, был опубликован в США в 1917 году Э. Б. Кноблем под названием «Ulugh Beg’s Catalogue of Stars. Revised from all Persian Manuscripts Existing in Great Britain».

Основной инструмент Самаркандской обсерватории – мраморный настенный квадрант, радиус дуги которого составляет 40,2 м, а длина дуги – 63 м.

Большая часть этого огромного угломерного инструмента размещена под землёй, под полом обсерватории – до глубины более 10 метров. Вторая половина квадранта на 28 м поднималась над землёй и, скорее всего, опиралась на прямоугольную башню, которая не сохранилась до наших дней.

Установленный в направлении с юга на север, то есть в плоскости меридиана, этот квадрант использовался для определения высот Солнца, Луны и планет над горизонтом в момент их прохождения через небесный меридиан, а также для измерения углового расстояния между светилами и для наблюдений ярких звёзд.

Большие размеры шкалы позволяли проводить наблюдения с очень высокой точностью, в частности, можно было определять координаты Солнца с погрешностью всего в 1 угловую секунду. Минуты и секунды дуги отсчитывались по вспомогательной шкале. Вдоль мраморных барьеров шкалы построены кирпичные лестницы, ведущие в глубину холма.

Время было беспощадно по отношению к уникальному памятнику науки. Обсерватория Улугбека постепенно разрушалась и в конце XVII века была разобрана на кирпичи.

В   1908 и 1914 годах во время раскопок в Самаркандской области под руководством российского и самаркандского ученого В. Л. Вяткина были обнаружено местонахождение обсерватории и части главного инструмента. Но данные раскопки не дали ожидаемых результатов. Находка оказалось лишь остатком внешней стены громадного трехэтажного здания.

Исследования обсерватории были успешно продолжены академиком М. Е. Массоном в 1941 году, и В. А. Шишкиным в 1948 году.