La défaite de 1871 et l'avènement de la IIIe République entraînent un vaste mouvement de réorganisation des observatoires français. Une politique scientifique de grande envergure est lancée, le budget et les équipes sont accrus ; l'Etat prend une place prééminente au détriment de la Municipalité. De 1873 à 1878, Félix Tisserand réorganise l'Observatoire en recrutant du personnel qualifié et en faisant l'acquisition de matériel de précision.
Son successeur, Benjamin Baillaud, poursuit cette politique en l'élargissant. Dès son arrivée, l'instrumentation est totalement revue, un équatorial de Brunner est installé et, quelques années plus tard, un bâtiment est édifié pour recevoir une lunette méridienne Gautier. Le personnel est désormais nombreux et relativement qualifié ; les astronomes Saint-Blancat et Cosserat entrent à l'Observatoire sous la houlette de Baillaud, à l'instar des mathématiciens Bourget et Andoyer. Le directeur met en place un service météorologique et développe les opérations photographiques de qualité. Les travaux les plus importants sont publiés dans les Annales de l'Observatoire. Mais c'est le projet d'établissement de la Carte du ciel qui va être la grande affaire de Baillaud ; l'observatoire de Jolimont, en collaboration avec 18 autres établissements de par le monde, va participer à cette entreprise initiée par l'Amiral Mouchez.
L'installation d'un observatoire au Pic du Midi est l'ultime réalisation de l'astronome toulousain. En l'espace de trente ans Benjamin Baillaud a réussi à redonner à l'Observatoire de Toulouse une dimension nationale, voire internationale.