Khayyam juga termasyhur sebagai ahli astronomi. Pada 1073, Malik-Shah, sultan Seljuk, menjemput Khayyam membina sebuah balai cerap serta bertugas untuknya, bersama dengan berbagai-bagai ahli sains lain yang terkenal. Kesudahannya, beliau dengan amat tepatnya (jitu ke enam tempat perpuluhan) mengukur tahun suria sebagai 365.24219858156 hari panjangnya. Ukuran takwimnya ini hanya mempunyai ralat sehari pada setiap 5,000 tahun, manakala takwim Gregory yang kini digunakan mempunyai ralat sehari pada setiap 3,330 tahun. Beliau juga menghitung dengan tepat takwim Parsi. Pada 15 Mac 1079, Sultan Jalal al-Din Malekshah Saljuqi (1072-92) menguatkuasakan takwim yang dibetulkan oleh Khayyam seperti di Eropah, apabila Julius Caesar menguatkuasakan pada tahun 46 SM takwim yang dibetulkan oleh Sosigenes, dan seperti Paus Gregory XIII yang berbuat demikian pada Februari 1552 dengan takwim yang dibetulkan oleh Aloysius Lilius (walaupun Britain tidak menukarkan takwim Julian kepada takwim Gregory sehingga tahun 1751, dan Rusia tidak berbuat demikian sehingga tahun 1918).

Khayyam termasyhur dalam dunia Parsi dan Islam kerana pencerapan astronominya. Beliau mencipta sebuah peta (kini telah hilang) untuk bintang-bintang di langit. Khayyam juga menganggarkan dan membuktikan kepada para hadirin yang termasuk Imam Ghazali, cendekiawan berprestij yang paling dihormati ketika itu, bahawa alam semesta tidak bergerak mengelilingi bumi seperti yang dipercayai pada masa itu. Dengan membina sebuah pentas yang berputar dan menyusun carta-carta bintang yang mudah dan yang diterangi oleh lilin di sekeliling dinding bilik yang bulat, beliau menunjuk cara bahawa bumi berputar pada paksi sendiri dan oleh itu, membawa kepada penglihatan berbagai-bagai buruj pada sepanjang malam dan siang (melengkapi kitaran sehari). Beliau juga memperincikan bahawa bintang-bintang merupakan objek pegun di dalam ruang dan yang, jika ia bergerak di sekeliling bumi, akan terbakar menjadi bara, akibat jisimnya yang besar. Kesemua teori ini diterimaguna oleh ahli-ahli astronomi Kristian berabad-abad kemudian dan diberi penghargaan untuknya, sebagaimana yang kita tahu kini.