Den ca. 33 Meter hohen, achteckigen Turm, dessen vier Hauptseiten nach den vier Himmelsrichtungen ausgerichtet sind, betritt man durch das Hauptportal von Westen. Es führt in das hohe und geräumige Erdgeschoss, von wo aus sich zwei weitere Türen nach Süden zu einem kleinen Garten und nach Norden zu einem Wirtschaftshof öffneten. Im Osten liegt das Treppenhaus, das die fünf ungleich hohen Stockwerke miteinander verbindet.

Im ersten Obergeschoss befand sich die Wohnung des Astronomen, ausgelegt für eine Person, da man beim Bau von zölibatären Bewohnern ausging. Die Wohnung bestand aus einer kleinen Küche, einem Wohnraum, einem Schlafkabinett und einem Schreibzimmer.

Im zweiten Obergeschoss lag der eigentliche Arbeitsplatz des Astronomen, der ca. 9,80 Meter hohe Beobachtungssaal. Hier waren die Teleskope, Quadranten, Globen und Pendeluhren aufgestellt. Vor den hohen Glastüren befinden sich nach Norden, Westen und Süden Balkone, nur nach Osten nicht, weil dort das Treppenhaus liegt.

Im dritten Obergeschoss lagen die Gästezimmer sowie eine kleine wissenschaftliche Bibliothek.

Im vierten Obergeschoss, dem Raum unter der Plattform, befand sich ein zweiter Beobachtungssaal mit einer Deckenhöhe von 5,90 Metern und Balkonen vor den Fenstertüren. In diesen Saal wurde 1778 ein Zenithsektor, hergestellt von dem englischen Instrumentenhersteller Jeremiah Sisson, mit kleiner Galerie eingebaut. Zur Beobachtung der Zenit nahen Sterne konnte eine kreisrunde Luke in der Plattform des Turms geöffnet werden.

Auf der Plattform, die mit einer gemauerten Brüstung umgeben ist, stand im Zentrum ein kleines Türmchen mit einem beweglichen Kupferdach, welches ebenfalls für astronomische Beobachtungen vorgesehen war.

Die Sternwarte als astronomische Forschungsstätte blieb mit einigen Unterbrechungen bis Mai 1880 in Betrieb. Nach dem Umzug der wissenschaftlichen Bibliothek und der astronomischen Geräte nach Karlsruhe war der Turm zunächst verwaist. Schließlich bekam ihn die Stadt Mannheim 1881 für einen Kaufpreis von 37.000 Mark zugesprochen. Sie wollte ihn als Wasserturm nutzen. Als sich dieser Plan zerschlug, ließ die Stadt im 1. und 3. Geschoss städtische Bedienstete wohnen. Auch als Aussichtspunkt wurde der Turm (gegen eine kleine Gebühr) wieder geöffnet.

1905/6 wurde der Turm erstmals gründlich renoviert. 1908 zog der Bildhauer Hermann Taglang in das zweite Obergeschoss der Sternwarte, das er wegen der hohen Fenster gut als Atelier nutzen konnte. Bis 1924 hatte er im ehemaligen großen Beobachtungssaal sein Studio. In der Zeit nach dem Ersten Weltkrieg war auf der Plattform der Sternwarte eine Camera Obscura installiert, mit der die Besucher einen Rundblick über Mannheim genießen konnten. Im Januar 1925 pachtete Franz Schwender den ganzen Turm und betrieb eine Buchhandlung im Erdgeschoss. 1936 zog in das dritte Obergeschoss der Architekt und spätere Professor für Bildhauerei Carl Trummer als Leiter der „Freien Akademie“ ein. Diese Kunstschule hatte zuvor in einem der Wachhäuschen des Mannheimer Schlosses residiert.

1940 gab das Land per Pachtvertrag den Turm bis 2021 in die Pflege und Obhut der Stadt Mannheim. Den Zweiten Weltkrieg überstand die Sternwarte relativ unbeschadet. Neben Schäden an der Außenfassade durch Bombensplitter und Granateinschläge, zerstörte am 20. März 1944 eine Sprengbombe den Aufbau der Camera Obscura und einen Teil der Brüstung.  Die Pläne, die das Hochbauamt Mannheim 1947 von dem Gebäude anfertigte, zeigen den Turm noch in seinen ursprünglichen Raumhöhen und Raumaufteilungen.

Im Dezember 1957 beschloss die Stadt die Wiederinstandsetzung und die Ausgestaltung des Gebäudes zu einem Atelierturm in einem Kostenrahmen von 158.000 DM. Die Renovierung begann im Januar 1958 und dauerte bis in den August 1958. Dabei wurde der ehemalige Beobachtungssaal im zweiten Obergeschoss in zwei Geschosse unterteilt. Dadurch bekam der Atelierturm ein weiteres Stockwerk.

1968 und 1976 waren neue Reparaturarbeiten an der Außenhaut des Turms nötig geworden. Seitdem wurde aber keine Generalsanierung mehr vorgenommen, das historische Kleinod drohte zu verkommen. Um den Verfall zu stoppen und das Denkmal geschützte Gebäude wieder in das Bewusstsein der Mannheimer zu rücken, gründete sich 2010 das „Aktionsbündnis Alte Sternwarte“, ein freiwilliger Zusammenschluss von Bürgern, verschiedenen Kulturinstitutionen und Ämtern der Stadt Mannheim. Dem Bündnis gelang es, eine Finanzierung von Land, Stadt, und Spendenbeiträgen zu organisieren, um die Sanierung der alten Sternwarte in Angriff nehmen zu können. 1,7 Millionen Euro kamen schließlich zusammen.

Die ausführliche Darstellung der gesamten Renovierung und weiteren Baumaßnahmen finden Sie unter dem Menupunkt Aktionsbündnis: „Renovierung 2008 – 2015“ und unter „Weitere Baumaßnahmen 2016 bis heute“