Dưới triều Nguyễn, Khâm Thiên Giám vận hành như một cơ quan nghiên cứu đa ngành, chi phối từ sản xuất nông nghiệp đến các nghi lễ chính trị trọng đại.
Chế tác lịch Hiệp Kỷ - "Kim chỉ nam" của quốc gia
Nhiệm vụ hàng đầu của Khâm Thiên Giám là biên soạn và ban hành lịch hàng năm. Từ năm 1813, triều đình chuyển sang dùng lịch Hiệp Kỷ soạn theo phép Thời Hiến (phương pháp khoa học phương Tây kết hợp phương Đông do quan viên Nguyễn Hữu Thận học hỏi từ nhà Thanh). Lịch Hiệp Kỷ có độ chính xác vượt trội so với lịch Vạn Toàn trước đó, đặc biệt là trong việc tính toán nhật thực và nguyệt thực.
Hàng năm, quy trình làm lịch được thực hiện vô cùng nghiêm ngặt: Tháng 2: Bắt đầu suy tính cho lịch năm sau. Tháng 5: Khắc bản mẫu và gửi đến các địa phương xa như Hà Nội, Gia Định. Tháng 12: Làm lễ Ban sóc (ban lịch) long trọng tại điện Thái Hòa, nơi vua ban lịch cho quan lại và dân chúng như một biểu tượng của uy quyền Thiên tử đối với thời gian và thần dân.
Lễ ban sóc triều Nguyễn được tái hiện tại Ngọ Môn - Đại Nội Huế
Quan trắc thiên văn và Khí tượng thủy văn
Tại Quan Tượng Đài (Nam Đài), các nhà chiêm tinh sử dụng kính thiên văn để theo dõi tinh tú. Châu bản triều Nguyễn ngày 19 tháng Mười hai năm Minh Mệnh thứ 11 (1830) còn ghi lại một báo cáo chi tiết: "Vào khắc Dần hôm nay thấy sao Thiên Thị Viên ở mặt đất bắt đầu có mây móc ngưng che dầy đặc... vâng đó từ đường chân trời lên tới vì sao ấy cao 35 độ".
Bên cạnh thiên văn, việc đo đạc lượng mưa là nhiệm vụ sống còn để phục vụ nông nghiệp. Khâm Thiên Giám phải đo lượng nước tích được trong bồn đồng và độ thấm của đất hàng ngày. Một bản tấu năm 1879 ghi rõ: "Giờ Dậu ngày 19 có mưa... nước tích được 1 tấc 9 phân, đất thấm 5 tấc 7 phân".
Lựa chọn ngày lành và Địa lý phong thủy
Mọi công việc đại sự như lễ Tế Giao, Đăng quang, công bố bảng vàng, hay thậm chí là việc chọn huyệt mã (lăng mộ) cho hoàng gia đều do Khâm Thiên Giám đảm trách. Họ là những "thầy phong thủy" cấp quốc gia, đảm bảo sự hài hòa giữa con người và mạch đất dân tộc.
Tổ chức bộ máy và Chính sách trọng dụng nhân tài
Khâm Thiên Giám triều Nguyễn được tổ chức cực kỳ quy củ, đặc biệt dưới thời vua Minh Mạng. Lãnh đạo: Đứng đầu là Giám chính (Chánh ngũ phẩm) và Giám phó (Tòng ngũ phẩm). Chuyên môn: Gồm các Ngũ quan chính (phụ trách 5 mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông, Trung) và các Linh đài lang (trực tiếp quan sát tinh tú tại đài). Kỷ luật thép: Nhà Nguyễn cực kỳ nghiêm khắc với sai sót khoa học. Năm 1875, các quan viên hàng đầu của Giám đã bị xử đánh 60 gậy và phạt bổng 1 năm vì tính toán sai hiện tượng nhật thực.
Đáng chú ý, vua Minh Mạng từng ban dụ vào năm 1835, khẳng định chính sách chiêu mộ hiền tài không phân biệt xuất thân: "không cứ quan dân, như có người hơi biết chiêm nghiệm tinh tượng... thì Thượng ty đều cấp bằng cho tới Kinh để liệu bổ dụng". Điều này cho thấy tư duy cởi mở và đề cao tri thức chuyên môn của vương triều.