徐家汇观象台当时是由法国教会组织建立的，当时由神父盖尔基主持。徐家汇观象台就地震所作的《1920年12月16日大地震的概述和评注》，详细记录了当天紧张的监测情景：

钟表突然停摆，而吊灯奇怪地摇晃起来。与普通人相比，他们马上意识到这意味着什么，急忙涌入安装有地震仪的地下室。

地震仪上的笔尖正在画着越来越宽的曲线，第一波较早的强波动出现于20时9分16秒。稍有平缓之后，地震仪上的南北向放大笔被剧烈的震动抛向了一边，盖尔基神父发出了警告：“注意！波动主峰就要到达了。”

这些波在20时16分到达。令人惊叹的是，震动的强烈竟然让地震仪都难以承受，笔尖半途跌落了。

虽然没能记录下全部的地震波，但已能够对地震的量级和位置进行推测。

震波在大地上涌动需要时间。宁夏地震局副总工程师柴炽章告诉记者，地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。它们的传播速度是不一样的，地震仪就是分别记录这几种波，然后根据它们到达的时间差、振幅等数据，大致推算出地震的位置和强度。不同位置的地震仪推测的地震震中范围不会完全一致，重合的地方很可能就是震中所在。

上海徐家汇观象台推测，震中在上海的西北方向，距离大概是1400公里。

日本东京地震台和上海徐家汇观象台对震中的推测非常一致：甘肃东部，当时海原属于甘肃省，故又称甘肃大地震。

外界很多信息，也从侧面记录了这次地震。“1920年12月16日，大约是晚上8点钟，在中国某些城市以及和它邻近的国家，观测到一些异常现象。不能说成都、大名、上海和海防相距很近，要知道从成都到大名大约1200公里，而从海防到上海大约1900公里。可是，在上述时刻，在成都法兰西领事馆，在大名的耶稣教徒传教团，在上海的英国领事馆和在海防的天文台内，所有钟表立刻停摆。在这些城市和所有其他许多居民点，坐在饭桌旁的人们忽然看见，吊灯开始摆动起来，后来还知道其他一些情况。在大名以北的板夏，三个闲谈的传教士忽然感觉到恶心欲呕，他们觉得地板就像船舶上的甲板一样开始摇摆起来，在距中国海1250公里远的一个地方，走向市场的主妇们突然觉得晕船，北京和天津的居民也有同样感觉……”这是海原地震发生后，苏联一位佚名作家撰写的《一九二零年的中国，西方忽视了的灾难》的开头部分。