Mọi cơ sở quan sát của tổ chức đều nằm ở Chile (do mục đích nghiên cứu bầu trời Nam Bán cầu và điều kiện khí quyển thuận lợi ở sa mạc Atacama, một nơi lý tưởng cho quan sát thiên văn), trong khi trụ sở chính lại đặt tại Garching gần Munich, Đức. ESO điều hành ba đài quan sát chính ở sa mạc Atacama của Chile, một trong những nơi khô cằn nhất trên Trái Đất:[2]

• Đài quan sát La Silla
• Đài quan sát Paranal, nơi đặt Kính thiên văn rất lớn
• Đài quan sát Llano de Chajnantor, nơi đặt kính thiên văn dưới milimét APEX (Atacama Pathfinder Experiment submillimetre telescope) và đặt ALMA, dãy kính thiên văn lớn bước sóng milimét Atacama (Atacama Large Millimeter Array), hiện tại đang được xây dựng trong dự án hợp tác giữa các nước Đông Á (Nhật Bản và Đài Loan), châu Âu (ESO), Bắc Mỹ (USA và Canada), và Chile.

Một trong những dự án đầy tham vọng của ESO là Kính thiên văn cực lớn châu Âu (E-ELT), một kính thiên văn đường kính 39 m dựa trên thiết kế 5-gương, tiếp nối khái niệm về kính thiên văn khổng lồ (Overwhelmingly Large Telescope) (OWL). Khi hoàn thành, kính E-ELT sẽ là kính thiên văn quang học/gần hồng ngoại lớn nhất trên thế giới. ESO đã khởi động giai đoạn thiết kế kính năm 2006 với dự định bắt đầu xây dựng vào năm 2011. E-ELT có thể hoàn thành vào năm 2018.[2]

Hàng năm, có khoảng 2000 đề xuất sử dụng các kính thiên văn của ESO vào quan sát các vị trí trên bầu trời Nam Bán cầu, số lượng đề xuất cao gấp 4 đến 6 lần số ban đêm trong năm. ESO cũng là một trong các tổ chức đài quan sát hoạt động hiệu quả trên thế giới, với các kết quả hàng năm nằm trong nhiều các ấn bản phản biện ngang hàng: chỉ trong năm 2009, hơnn 650 bài báo đã trích dẫn những dữ liệu nghiên cứu từ ESO được xuất bản.[2]

Những cỗ máy khoa học của ESO tạo ra lượng lớn dữ liệu khoa học với tỉ lệ cao trong một ngày. Chúng được lưu ở Cơ sở dữ liệu khoa học ở trụ sở của ESO. Dữ liệu này hiện tại bao gồm hơn 1,5 triệu hình ảnh hay phổ của các thiên thể với dung lượng lên tới 65 terabyte (65.000.000.000.000 bytes).[2]

ESO cũng có Cơ sở điều phối châu Âu dành cho kính thiên văn không gian Hubble, đây là một dự án hợp tác giữa ESA và NASA. Kính Hubble có thể quan sát trên các bước sóng khả kiến, hồng ngoại và cực tím. Trong 20 năm qua, Hubble đã làm nên cuộc cách mạng trong thiên văn học, không chỉ là một công cụ thiên văn hữu hiệu cho những khám phá mới, mà nó cũng đóng vai trò dẫn đường trong nghiên cứu thiên văn nói chung.