Studia doktoranckie w dyscyplinie astronomia prowadzone są w ramach Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UW. Proces ten trwa co najmniej cztery lata i kończy się publiczną rozprawą doktorską przedstawianą przed Radą Naukową Dyscypliny Astronomia, która w przypadku pozytywnej oceny nadaje stopień doktora nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie astronomia.

Prace doktorskie prowadzone w OAUW swoją jakością i wartością wyników często nie ustępują poziomowi światowemu. Najlepszym przykładem tego jest jedna z prac obronionych w 2019 roku, którą Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU), w ramach corocznego plebiscytu, wybrała najwybitniejszą na świecie rozprawą w dziedzinie systemów planetarnych i bioastronomii.

Co roku przedstawiana jest nowa lista potencjalnych tematów dysertacji wraz z nazwiskiem promotora. Oferta obejmuje zagadnienia, którymi na co dzień zajmują się pracownicy obserwatorium. Kandydaci po wskazaniu tematu (może on ulec zmianie już w trakcie studiów) przechodzą krótką procedurę rekrutacyjną, która sprowadza się głównie do ogólnej oceny ich dotychczasowych osiągnięć i rozmowy kwalifikacyjnej. Przyjęty doktorant może liczyć na wsparcie finansowe w postaci ustawowego stypendium, a czasami ponadto innych dodatków pochodzących ze środków własnych OAUW i/lub grantów.