В годы Великой Отечественной войны Пулковская обсерватория оказалась на линии фронта. Здесь находился укрепленный рубеж обороны Ленинграда, который защищали гвардейцы 125-й Стрелковой дивизии. Пулковские высоты защищали также астрономы и сотрудники обсерватории: А.Н. Дадаев, А.А. Немиро, М.Н. Гневышев, Н.В. Фатчихин, Н.К. Логачева, М.А. Малышев, В.М. Нуждин. В течение 850 дней обсерватория подвергалась артобстрелам и бомбежкам, но не была оккупирована. Подвалы главного здания и Сейсмической станции использовались в качестве укрытий, фонтан Грот – под перевязочный пункт. Всю территорию покрыли оборонительные сооружениями, их остатки частично сохранились на западном склоне. В результате военных действий было сильно повреждено главное здание, разрушены научные павильоны, сильно пострадал парк. Погибших воинов-защитников хоронили в братской могиле на северном склоне у подножия горы.
15–19 января 1944 г. от Пулковских высот началось наступление советских войск, и блокада Ленинграда была снята. Во время этих событий на вершине горы появилась еще одна братская могила, разделенная Меридианной дорожкой, в ней погребены погибшие при наступлении гвардейцы. Подвиг защитников и освободителей Пулково увековечен в надгробных памятниках на братских захоронениях и в мемориале «Пулковский рубеж».
По окончании военных действий в 1944 г. Пулковскую обсерваторию обследовала комиссия во главе с директором Г.Н. Неуйминым. Под руководством профессора ЛИСИ Н.Л. Подберезского студенты выполнили архитектурный обмер главного здания. Размер ущерба, причиненного обсерватории, определили в 137 миллионов 315 тысяч 615 рублей. Решение о восстановлении обсерватории от 13 октября 1944 г. принималось с учетом рекомендаций Астрономического совета Академии наук СССР. На восстановление и реконструкцию правительством было отпущено вначале 150 миллионов рублей. Распоряжением Совета Народных комиссаров СССР от 11.03.45. № 4003-р и решением Исполкома Ленгорсовета от 28.05.45. № 147–2–6 «О восстановлении обсерватории» ее территорию расширили до ста пятидесяти гектар и установили режим защитной парковой зоны. Согласно этим документам в радиусе трех километров от Пулковской обсерватории запрещалось промышленное и крупное жилищное строительство. Всякое иное строительство в данной зоне с тех пор допускалось лишь по согласованию с дирекцией Пулковской обсерватории. Защитная парковая зона должна была обеспечить атмосферные условия, необходимые для проведения высокоточных координатных наблюдений небесных тел.
Разработку проекта поручили начальнику «Академпроекта» видному зодчему А.В. Щусеву. Проектирование началось в 1944 г. по архитектурно-планировочному заданию главного архитектора Ленинграда Н.В. Баранова. К разработке эскизного проекта (форпроекта) А.В. Щусев привлек архитектора А.В. Власова. В состав форпроекта входили генеральный план, проекты главного здания, научных павильонов, башен и форпроект главного входа на территорию со стороны северного склона. Согласно замыслу Щусева, главное здание обсерватории предполагалось восстановить в первоначальном виде – с коническими завершениями башен. Павильоны большого рефрактора и астрофизической обсерватории также предполагалось восстановить на старых фундаментах. Срок восстановления намечался в пять лет, закончить его планировали к 31 декабря 1950 г.
Территория Пулковских высот трактовалась как лесопарковая зона. Планировку самой обсерватории разработали в характере французских партерных парков, что позволяло совместить удобство сообщения между зданиями по кратчайшим расстояниям с надлежащей художественной выразительностью. За пределами Научной площадки на территории обсерватории предполагалось выполнить английский парк по спецпроекту. Вход на северном склоне предназначался для возведения Монумента героическим защитникам Ленинграда. Он представлял собой грандиозную композицию, увенчанную колоссальной колонной на высоком подиуме со статуей Победы. Форпроект одобрил Городской архитектурный совет с незначительными замечаниями по планировке и утвердил Президиум Академии наук СССР в 1946 г. Восстановительные работы начались в 1947 г. Их возглавляло Ленинградское отделение проектного управления Академии наук под руководством члена-корреспондента Академии архитектуры СССР профессора В.Л. Гофмана. Строительные работы выполняло СМУ Академстрой под руководством Б.А. Берлина.
В 1949 г. генеральный план детально проработал и уточнил архитектор-художник В.И. Яковлев при участии научного консультанта Пулковской обсерватории астронома А.Н. Дейча. Вся территория разделялась на три функциональные зоны: район главного здания, производственно-научная площадка, жилой поселок и хозяйственный двор. Целью композиции генплана было создание ландшафтного ансамбля на принципах гармонии, цельности и классической строгости, особое внимание обращалось на облик обсерватории со стороны Гатчинского шоссе (ныне это Пулковское шоссе, входящее в автомагистраль М-20). На восточном склоне с западной стороны Гатчинского шоссе устроили главный въезд в обсерваторию, жилой район с детским садом и яслями, хозяйственную зону. По этому же генеральному плану предполагалось разместить перед главным зданием к северу на террасе по обе стороны Меридианной дорожки два здания для лаборатории времени и астрофизической лаборатории.
(В последующие годы проект 1949 г. частично изменен. Лаборатории времени и астрофизическую устроили на других местах. Монумент защитникам Ленинграда вместо Пулково возвели на площади Победы в 1974–1975 гг.)
Рабочее проектирование главного здания обсерватории выполнила архитектор М.А. Захарьевская в 1946 г. Оно основывалось на исторических изображениях главного фасада и обмерах. При этом внутреннюю планировку боковых служебных флигелей полностью реконструировали, а снаружи к ним пристроили балконы на уровне первого этажа, что предусмотривалось в первоначальном проекте А.В. Щусева. В центральной части здания старую планировку сохранили, так как она была связана с конструктивным устройством наблюдательных научных залов. Астрономические инструменты установили на прежних глубоких мощных фундаментах, выдержавших бомбежки и артобстрелы военного времени.
Круглый зал под главной башней и читальный зал библиотеки реставрировали по проекту архитектора Д.X. Еникеева. Он же являлся автором архитектурного оформления кабинета директора обсерватории. Парадный интерьер Конференц-зала, расположенного в первом этаже западного корпуса, устроен по новому проекту, разработанному архитекторами И.Н. Бенуа и Ф.Ф. Олейником. Его стены во всю высоту облицованы красным уральским мрамором, во фризе расположены барельефы ученых-астрономов, а также К. Маркса и В.И. Ленина (последний заменил барельеф Сталина). Главное здание меблировано ценной мебелью с сохранением исторического стиля обстановки Пулковской обсерватории, как и предусматривалось первоначальным проектом А.В. Щусева.
Проекты астрономических павильонов, по замыслу А.В. Щусева, разработали в нескольких вариантах, для фасадов предусмотрено использование элементов архитектурного декора классики. Рабочее проектирование выполнял архитектор П.П. Светлицкий. Павильоны размещены на научной площадке южнее главного здания. Автором фасадов гостиницы является архитектор В.И. Яковлев, интерьеры выполнены по проектам Д.X. Еникеева. Позднее построили здания лаборатории радиоастрономии (1954 г., архитектор Д.X. Еникеев) и астрофизической лаборатории (середина 1950-х гг., архитектор А.В. Баранский), их также оформили в стиле неоклассицизма.
