Fin dalla sua fondazione l’Osservatorio Ximeniano si occupa principalmente di astronomia, in quanto interessi predominanti di Leonardo Ximenes. All’interno della cupola dello Ximeniano è conservato il telescopio di Leonardo Ximenes, che veniva usato per osservare e mappare le stelle e il loro movimento, ogni notte, durante l’anno. Oggi non viene più utilizzato, se non per osservazioni occasionali della superficie lunare e di alcuni corpi celesti più luminosi.
Nel 1912 l’Osservatorio Ximeniano si dotò di una stazione radio per ricevere l'ora esatta di Parigi trasmessa dalla Torre Eiffel che, rispetto alla rilevazione astronomica dell’ora, avrebbe consentito di ottenere una maggiore precisione nello studio dei fenomeni sismici. Alla prima stazione radio realizzata da Padre Guido Alfani nel 1912 se ne affiancò una seconda nel 1923, evoluzione tecnologica della prima.
La Sezione si compone di vari documenti e strumenti, che testimoniano le ricerche, gli studi e le applicazioni condotti nell’ambito dello Ximeniano per finalità astronomiche, geodetiche, topografiche, cartografiche e geografiche, ma anche per il disegno e la progettazione architettonica e meccanica, per la redazione di progetti di regimazione idraulica del territorio, di infrastrutture stradali e ferroviarie, di ponti, di trafori: un considerevole insieme documentale, talmente ricco di interessi e di intrecci disciplinari da mostrare la vera essenza dell’Osservatorio, quale florido centro di ricerca scientifica e vera e propria scuola politecnica.
Una capanna meteorologica è collocata al centro di una grande terrazza rivolta a Nord – un tempo giardino pensile - nella parte alta dell’edificio, a circa 25 metri di altezza sul livello stradale e 75 metri sul livello del mare.
Fin dal 1813 è stata raccolta e diffusa dall’Osservatorio una serie ininterrotta di dati meteorologici e fino a pochi anni fa il tempo a Firenze aveva in questa istituzione il suo cardine, da qui i bollettini meteo partivano per le altre città e istituti, e quotidianamente venivano forniti alla stampa locale
Fra le sue diverse eccellenze disciplinari, l’Osservatorio Ximeniano vanta una delle più antiche tradizioni di osservazione strumentale dei terremoti al mondo, oltre che una fra le più prestigiose.
Questo primato è testimoniato dalla ricca collezione di sismografi, fra i primi al mondo, e dalle migliaia di registrazioni sismiche realizzate dai numerosi strumenti dell’Osservatorio, frutto della straordinaria inventiva di due dei suoi principali protagonisti in questo settore: Filippo Cecchi e Guido Alfani.