Für ihre Beobachtungen verwenden die Forschenden der TLS verschiedene Teleskope: Das Herzstück ist das 2-Meter-Alfred-Jensch-Teleskop für die Beobachtung im optischen Spektralbereich. Auf dem Gelände der Thüringer Landessternwarte nördlich von Jena befindet sich auch eine Station des europäischen Radioteleskops Low Frequency Array (LOFAR). Die Astronominnen und Astronomen der TLS beobachten zudem an internationalen Großteleskopen weltweit.

Das optische Alfred-Jensch-Teleskop ist die größte Schmidt-Kamera der Welt. Der Schmidt-Spiegel hat aufgrund seiner Bauart ein sehr großes Gesichtsfeld, so dass das 2-Meter-Teleskop der Thüringer Landessternwarte ausgedehnte Himmelsobjekte wie Galaxien, Nebel, Sternhaufen sowie die Umlaufbahn von Asteroiden gut beobachten und fotografieren kann. Als Universalteleskop kann es zu einem Coudé-Teleskop umgebaut werden.

LOFAR ist das weltweit größte Radioteleskop für den Empfang von Radiokurzwellen und Ultrakurzwellen. Die Empfängerstationen sind über mehrere Länder in Europa verteilt: 38 Stationen befinden sich am Hauptsitz in den Niederlanden, sechs in Deutschland (eine davon in Tautenburg) und weitere in Frankreich, Irland, Lettland, Polen, Schweden sowie im Vereinigten Königreich. Seit Januar 2024 wird LOFAR von einem European Research Infrastructure Consortium (ERIC) betrieben. Die Thüringer Landessternwarte repräsentiert die deutschen Teilnehmer im LOFAR ERIC.

An der Thüringer Landessternwarte entsteht ein Sonnenlabor, um Instrumente für die kontinuierliche, automatische Überwachung der Sonne zu entwickeln. Sonnenaktivität kann technologische Systeme beeinträchtigen. Deswegen wird ihre Untersuchung immer dringlicher. Die Erforschung des Inneren der Sonne und von Sternen und deren magnetische Aktivität wird als Forschungsfeld an der Thüringer Landessternwarte ausgebaut.

Aktuell sind insgesamt 50 Angestellte an der Thüringer Landessternwarte beschäftigt, davon 35 im wissenschaftlichen Bereich, einschließlich Nachwuchsforschergruppen und wissenschaftlicher Hilfskräfte.