Nachdem er in Samarkand eine Hochschule eingerichtet hatte, begann er 1424 den Bau der wohl besten Sternwarte seiner Zeit.
Das Teleskop war damals noch unbekannt und so verfügte das Observatorium über etliche Peil-Instrumente, um die Positionen der Sterne am Himmel zu bestimmen. Besonders beeindruckend war ein Sextant mit 40 Metern Radius.
Ulugh Beg beobachtete selbst oft den Himmel, etwa den Lauf von Sonne, Mond und Planeten. Gemeinsam mit seinen Astronomen al-Kaschi und Qadi Sadi hat er die Schiefstellung der Erdachse äußerst präzise vermessen. Die Länge des astronomischen Jahres haben die Gelehrten auf weniger als 60 Sekunden genau bestimmt.
Der Katalog Zidsch-i-Sultani enthielt Angaben zu rund 1.000 Sternen. Erstmals seit den Zeiten von Ptolemaeus, rund 1.300 Jahre zuvor, haben Astronomen systematisch den Himmel vermessen.
Die Genauigkeit von Ulugh Beg und seinem Team wurde erst 150 Jahre später vom Dänen Tycho Brahe übertroffen.
Nach dem Tod seines Vaters kam Ulugh Beg, einer der großen mittelalterlichen Astronomen, 1449 bei Unruhen im Land ums Leben. Er wurde 55 Jahre alt.