Die Geschichte des Observatoriums im Tautenburger Forst beginnt 1947 mit einer Besprechung zwischen dem damaligen Direktor des Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, Hans Kienle, und leitenden Mitarbeitern der Astroabteilung der Firma Carl Zeiss (CZ) in Jena, bei der Kienle die Möglichkeit der Fertigung eines multifunktionalen Großteleskops sondierte. Aus heutiger Sicht erscheint ein solch hochfliegender Wunsch recht erstaunlich angesichts der Kriegsschäden und Wirren der unmittelbaren Nachkriegszeit. Immerhin arbeiteten zu diesem Zeitpunkt weltweit lediglich zwei größere Teleskope, beide in den USA. Als Mitglied der Deutschen Akademie der Wissenschaften (DAW) zu Berlin stellte Kienle einen Auftrag an CZ seitens der Akademie in Aussicht. Die Jenaer Optikwerke CZ und SCHOTT stellten sich dieser Herausforderung und Anfang 1948 erteilte die Geschäftsleitung von CZ eine offizielle Zusage.

Kienle beschäftigte sich in dieser Zeit mit Plänen für eine durchgreifende Um- und Neugestaltung der astronomischen Forschungslandschaft. Er orientierte dabei auf den Ausbau einiger weniger, besonders günstig gelegener Sternwarten zu reinen Beobachtungsinstituten, die nicht an reine Lehrinstitute angebunden sein sollen, wobei es zwischen beiden aber einen regen personellen Austausch geben soll. Die Konzeption für das geplante Teleskop fasste er 1949 in einer Denkschrift für die DAW zusammen: Es sollte ein 2-m-Spiegelteleskop sein mit verschiedenen Einsatz-möglichkeiten (``Universalteleskop''), einschließlich einer Variante als Schmidt-Teleskop. Es sollte von einem gesamt-deutschen Kuratorium geleitet werden und es sollte allen Astronomen weltweit zur Verfügung stehen. Jeder einzelne dieser Punkte gibt dem Projekt in seiner Zeit eine Sonderstellung.

Noch im Jahr der Denkschrift, 1949, erteilte die DAW den Auftrag zum Bau des 2-m-Teleskops und des dazugehörigen Kuppelgebäudes an CZ Jena und gründete eine “Kommission 2-m-Spiegel” unter Leitung von Kienle, der zwar 1950 einem Ruf nach Heidelberg folgte, dem Projekt aber noch über viele Jahre verbunden blieb. 1957 begannen die Erschließungs- und Bauarbeiten im Tautenburger Forst. Im Oktober 1960 erhielt das neuartige 2-m-Teleskop sein ``erstes Licht'' und wurde von CZ Jena an die DAW übergeben. Zeitgleich wurde das ``Karl-Schwarzschild Observatorium'' (KSO) Tautenburg gegründet, im Wesentlichen als ein Dienstleistungsinstitut, das auswärtige Astronomen bei der Beobachtung mit dem Teleskop unterstützen sollte. Zum Zeitpunkt seiner Inbetriebnahme war das Tautenburger Teleskop das fünftgrößte Teleskop der Welt, die vier größeren befanden sich in den USA. In seiner Variante als klassische Schmidt-Kamera ist es noch heute das größte Teleskop seiner Art. In Würdigung der Leistungen seines Chefkonstrukteurs, der die technische Konzeption und viele technische Detail erarbeitet hatte, wurde dem Tautenburger Teleskop 1992 der Name ``Alfred-Jensch-Teleskop'' verliehen.

Das KSO war zunächst eine selbständige Einrichtung der DAW, 1969 wurde es dem neu gegründeten Zentralinstitut für Astrophysik und 1972 der Akademie der Wissenschaften (AdW) der DDR angeschlossen. In seinen Anfangsjahren war ihm ein gesamt-deutsches Kuratorium zur Seite gestellt, das noch bis 1965 arbeitete. Zu den wissenschaftlichen Projekten der Anfangsjahre gehörten einer der ersten großangelegten Quasar-Suchprogramme und die Untersuchung des stellaren Gehalts der Andromeda-Galaxie. Nach der Wiedervereinigung wurde das Observatorium, wie alle Einrichtungen der AdW, wissenschaftlich evaluiert. Entsprechend der Empfehlung des Wissenschaftsrats, erfolgte daraufhin die Neugründung der Thüringer Landessternwarte (TLS) durch den Freistaat Thüringen zum 1.1.1992 als Einrichtung des öffentlichen Rechts aus dem Bestand des KSO. In den 90er Jahren begann eine umfassende Neugestaltung aller Bereiche des Instituts.

Mit der Neugründung der TLS ergab sich insbesondere auch die Möglichkeit der Entwicklung eines Forschungsinstituts mit eigenem breitem Forschungsprofil. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Gewinnung, Auswertung und Interpretation von Beobachtungsdaten. Dies schließt die Mitarbeit an der Entwicklung von Zusatzinstrumenten für internationale Observatorien ein. Die TLS betreibt gegenwärtig drei Teleskope auf ihrem Territorium. Das in mehreren Stufen modernisierte 2-m-Teleskop leistet nach wie vor wertvolle Dienste. 2018 wurde eine neue CCD-Kamera mit einem Gesichtsfeld von 1.7 Quadratgrad für die Schmidt-Variante in Betrieb genommen.

2005 wurde ihm das kleine, automatisierte Teleskop TEST zur Seite gestellt und 2010 wurde die Tautenburger Station des europaweiten Radioteleskops LOFAR eingeweiht. Neben den Tautenburger Teleskopen nutzen die Wissenschaftler*innen der Landessternwarte in erheblichem Umfang die Beobachtungs-möglichkeiten an internationalen Einrichtungen, darunter an den Großobservatorien und Welt-raumteleskopen. Wissenschaftler*innen der TLS beteiligen sich auch aktiv an der Lehre auf dem Gebiet der Astrophysik an verschiedenen Universitäten. Seit 2005 besteht ein Kooperationsvertrag mit der Fakultät für Physik und Geowissenschaften der Universität Leipzig.