Die ehemalige Sternwarte, eines der wichtigsten technischen Denkmale der früheren Kurpfalz, ist in Baden-Württemberg einzigartig. Die von 1772 bis 1774 im Auftrag des astronomisch interessierten Kurfürsten Karl Theodor auf Initiative des Hofastronomen Christian Mayer errichtete Sternwarte befindet sich in unmittelbarer Nähe von Jesuitenkirche und Schloss. Um 1790 fügte man einen Anbau für Messinstrumente hinzu. Ab 1820 wurde von hier aus das Land Baden vermessen, der Nullpunkt für das badische Vermessungssystem befindet sich noch heute in der Form eines Gradmesser-Pfeilers auf der oberen Plattform des Gebäudes. Der nach dem Umzug des Instituts nach Karlsruhe 1880 verwaiste Turm wurde von der Stadt Mannheim seit 1908 an Künstler vermietet. In der ab 1957 zu einem Atelierturm umgebauten Alten Sternwarte arbeiteten seitdem viele bekannte Mannheimer Künstlerinnen und Künstler.

Das achteckige, turmartige Gebäude besteht aus fünf Geschossen, ein rechteckiger Treppenturm erhebt sich an der östlichen Rückseite. In jedem Geschoss ermöglichten die exakt nach den vier Himmelsrichtungen ausgerichteten Balkone die Himmelsbeobachtung. Im Inneren waren die Wohnung des Hofastronomen, eine Bibliothek und ein Studierzimmer untergebracht. Der zweigeschossige Anbau im Westen ist ebenfalls mit Balkonen versehen.

Das Gebäude der dem Land gehörenden und von der Stadt in Erbpacht übernommenen Alten Sternwarte wurde 2013-15 saniert. In den vergangenen drei Jahren unterstützte das Aktionsbündnis Alte Sternwarte die Stadt bei der Beseitigung der Schäden und der Instandsetzung des Inneren. Bisher fehlte jedoch der vor rund 100 Jahren abgebaute obere Gebäudeabschluss mit der Beobachtungskuppel. Damit wird der letzte Schritt zur Wiederherstellung diese die Stadtsilhouette Mannheims prägenden Baus gemacht.