A sede do ESO (que inclui os centros científico, técnico e administrativo) está localizada em Garching, próximo de Munique, na Alemanha. O ESO Supernova, um grande centro de divulgação de astronomia, que inclui um planetário, também está localizado na sede. Os três observatórios do ESO estão em funcionamento no Chile, mais precisamente no deserto de Atacama. No observatório do Paranal, a 2600m de altitude, opera o Very Large Telescope, um conjunto de quatro telescópios, cada um com um espelho principal de 8,2 metros de diâmetro. O observatório em La Silla, a 2400m de altitude, alberga vários telescópios óticos com espelhos de diâmetros que vão até aos 3,6 metros. Em Chajnantor, a 5000m de altitude, localiza-se o telescópio APEX e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), o maior projeto de astronomia terrestre com uma infra-estrutura revolucionária na astronomia mundial. Está em construção um novo telescópio óptico/infravermelho com um espelho primário de 39m de diâmetro, o European Extremely Large Telescope (E-ELT).
Em 10 de Julho de 1990, Portugal celebrou um Acordo de Cooperação com o ESO, através do qual era garantido o estatuto de observador, e se definia um processo de transição para que, no prazo de 10 anos, se pudesse aceder à condição de Estado Membro de pleno direito. Em 1999 Portugal solicitou a adesão como Estado Membro, tendo sido aprovado o acordo de adesão de Portugal em dezembro de 2000.
Como Estado Membro Portugal contribui anualmente para os custos anuais de operação da infraestrutura (cerca de 1.2% do orçamento global). A participação de Portugal no ESO tem possibilitado o acesso das equipas de investigação portuguesas a uma infraestrutura de observação da mais alta qualidade, e à participação científica nas áreas de Astronomia e Astrofísica, o que tem contribuído de uma forma decisiva para o crescimento da comunidade científica, nomeadamente doutorados e para a sua internacionalização.