Teleskopen i Onsala används för astronomisk forskning av både svenska och internationella forskare. Som ett fristående teleskop används 20-meters-teleskopet för observationer av millimetervågsemission från molekyler i kometer, cirkumstellära höljen, och det interstellära mediet i Vintergatan och andra galaxer. Teleskopet används också tillsammans med radioteleskop i Europa och övriga världen för högupplösande observationer med hjälp av långbasinterferometri (VLBI) av stjärnbildningsområden, utvecklade stjärnor och aktiva galaxkärnor. 25-meters-teleskopet, avsett för decimetervågor, används för astronomisk VLBI och ibland också som ett fristående teleskop.

Observatoriets LOFAR-station invigs i september 2011. LOFAR (Low Frequency Array) är ett stort system av enkla antenner för frekvenser under 250 MHz. Projektet leds av ASTRON i Nederländerna. Stationen i Onsala kommer att öka LOFAR:s upplösning.

Inom geodetisk forskning används Onsalas 20-meters-teleskop för VLBI-observationer som undersöker t.ex. jordskorpans dynamik och polaxelns rörelser. Dessutom finns det på observatoriet i Onsala utrustning för rymdgeodesi (till exempel GPS-mottagare), en supraledande gravimeter, och en station för radioaeronomi som övervakar gaser i jordens atmosfär.

Onsala rymdobservatorium driver två utvecklingslaboratorier, i Onsala och på Chalmersområdet (MC2). Laboratorierna utvecklar mottagare och utrustning såväl för den nationella anläggningens teleskop som för internationella projekt, till exempel APEX, ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, en interferometer med radioteleskop byggs i Chile) och rymdteleskopet Herschel (en astronomisk satellit för infraröda och submillimeter-våglängder).