L'Osservatorio di Arcetri possiede una piccola collezione di strumenti astronomici. Gli oggetti più pregevoli sono esposti in alcune vetrine del padiglione Amici, dove possono essere ammirati durante le visite notturne e le altre attività per il pubblico. Un'altra vetrina con altri strumenti di interesse storico/scientifico si trova all'interno dell'edificio principale dell'Osservatorio e può essere visitata su richiesta. Nella collezione si trovano strumenti appartenenti alla dotazione della Specola di Firenze (in funzione dalla fine del settecento al 1870 circa) e quelli acquistati successivamente per l'Osservatorio di Arcetri, che sostituì la Specola. Fin dalla fondazione dell'Osservatorio (1872), la necessità di spazi per la ricerca e la concomitante presenza a Firenze del Museo degli antichi strumenti di fisica e astronomia nella vecchia Specola prima, e del suo erede Museo di Storia della Scienza (oggi Museo Galileo) poi, hanno fatto sì che gli strumenti maggiori venissero spostati nelle collezioni museali esterne man mano che diventavano obsoleti e inutilizzabili. Lo spostamento fu facilitato dalla partecipazione dei direttori G. Abetti e G. Righini all'amministrazione dei due musei. Emblematico è il caso dei due telescopi di Amici, i cui tubi sono oggi esposti al Museo Galileo, mentre le ottiche -utilizzate fino alla fine degli anni 60 del 1900- sono ancora ad Arcetri. Pertanto, molti strumenti originariamente parte della dotazione dell'Osservatorio sono visionabili oggi al
Museo Galileo. Completano la collezione museale dell'Osservatorio una galleria di busti recentemente recuperati, fra cui quelli in marmo del fondatore di Arcetri, G. B. Donati, e del suo aiuto D. Cipolletti, opera degli scultori U. Lucchesi e L. Cartei.