17世紀初，義大利人伽利略（Galileo Galilei，1564—1642年）受到顯微鏡製作的啟發，他想，既然小的物體可以放大，能否把遠的物體移近呢？開始，他只是照樣子仿製，未能成功．之後，他改用一凸一凹的玻璃片，經不斷修改、裝配，終於在1609年製成世界上第一架望遠鏡．他用一根細管，兩頭安上一凸一凹的鏡片，眼睛貼近凹鏡望遠處物體時，物體移近了許多，並且比直接用眼睛看時變大了．
按他的計算，這支管子能將物體放大8倍．為了觀察天上的星星，他把望遠鏡的放大倍數提高到32倍．他和他的望遠鏡完成了天文學上的第一次革命，用實驗證實了哥白尼日心說的正確性．他的望遠鏡被稱作伽利略望遠鏡，其光路圖如圖2所示．
兩年以後，德國天文學家克卜勒（J· Kepler，1571—1630年）為了得出行星運動的規律，不斷地改進觀測儀器，在1611年他設計出另外一種望遠鏡．他用更長一些的管子，兩端都用凸透鏡，觀察物體時得到倒立的但是放得更大的像，稱為克卜勒望遠鏡，其光路如圖3所示．
對望遠鏡來說，目標在遠距離，進入望遠鏡的光束可視為平行光．為了使人眼不易疲勞，目視光學儀器的出射光束應為平行光束，因此望遠鏡應該是一個 平行光射入、平行光射出的系統，或者說是把無限遠的物成像於無限遠的無焦系統．最簡單的望遠鏡光學系統由物鏡和目鏡組成，物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點 重合．
現代的伽利略望遠鏡光路如圖2所示．自無窮遠物點A發出的光束，在物鏡處與望遠鏡的光軸有較小的夾角ω（無限運物體對人眼的張角ω眼=ω），經物鏡後，光束被會聚於物鏡的後焦平面處的A′點，為A的像．這一光束再經目鏡後與望遠鏡的光軸有較大的夾角ω′（物通過儀器後對人眼的張角ω儀′=ω′），相當於使物體對人眼的張角變大，從而在視網膜上獲得放大的像．望遠鏡的視放大率為
經過一段漫長的發展歷史，各種結構形式的望遠鏡相繼問世，按用途不同可分成：
1．伽利略望遠鏡——用於觀劇用望遠鏡及眼鏡式低視力助視器．
3．調焦用望遠鏡——如經緯儀中的望遠鏡，能完成調焦．
按光學原理，又可歸納為折射式望遠鏡和反射式望遠鏡兩大類．折射式望遠鏡常見的有 稜鏡雙筒望遠鏡，特點是鏡筒短、視野大、攜帶方便，多用於軍事和野外考察；反射式望遠鏡由四面鏡作物鏡，凸透鏡作目鏡，用於天文觀測．目前世界上最大的折 射式望遠鏡是美國芝加哥附近的葉凱士天文臺擁有的口徑102cm、長19m的天文望遠鏡．最大的反射式望遠鏡是美國威爾遜山天文臺的口徑是254cm的望遠鏡．它所「捕捉」的光，比自然進入人眼的光要強1000萬倍；用它觀察天體，距離可達100億光年（一光年約等於94605億公裡）之外，能看見的星星數目可達幾十億顆之多．