望遠鏡的發明在科學發展史上同樣具有極為重大的意義， 它揭開了近代科學的序幕。
望遠鏡的發明也是從仍然的機會中獲得的。據說17世紀初荷蘭米德爾堡市有一個人常常把兩個透鏡放在一起眺望遠方，這能使很遠的東西看起來很近。可是他並不是科學家，也從來沒有想過這是怎麼一回事、其中有什麼道理。但他的行為卻促使伽利略為望遠鏡的發明作出了具有劃時代意義的貢獻。
1608年，伽利略對於地動說還只有一點模糊的認識，因此他決心更多地了解天體的情況。當枷利略從朋友的來信中得知了荷蘭人的故事後，立刻集中精力研究起光學透鏡來。他找來兩根直徑不同的空管子，將它們套在一起，然後在套管的一頭嵌進一個凸透鏡，另一頭嵌進一個凹透鏡。就這樣，一個簡易望遠鏡製成了，它最初只能放大3倍。經過了幾個月的改進，第二年，伽利略製成了可放大32倍的望遠鏡。這就是所謂伽利略式望遠鏡，是一臺折射望遠鏡。
伽利略馬上用這個望遠鏡去觀測天體。他用這個劃時代的天文儀器觀測到一些令人驚奇的現象：奪目的太陽上竟然有黑子；月亮上有的地方平原千裡，有的地方卻高山聳峙；木星有四個小衛星圍繞它旋轉，而且它們的位置是經常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉一樣。後來，伽利略還發現了金星的相，從而證明金星是繞太陽運行的，銀河系是由許多的恆星組成的。於是伽利略堅定了對地動說的信念。這一系列發現轟動了歐洲。人們的評價是：哥倫布發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙。
伽利略的發現沉重地打擊了經院哲學教藝過去人們一直認為上天是完美無缺的，可是現在不但月亮有了斑點，連太陽也有了缺陷。伽利略一再邀請經院哲學家和神學家用望遠鏡觀測天象，他們不但拒絕觀測，反而誣衊伽利略是騙子，望遠鏡是「魔鬼的發明」，並說是伽利略用符咒把新星星從天空中咒出來的。為了這件事，伽利略在給克卜勒的信中氣憤地說「對於這些人來講，真理用不著到自然界中去尋找，只要從古人著作中就可以得到。」
望遠鏡把伽利略從力學實驗室中吸引出來，天文觀測使他成為了哥白尼的忠實信徒，他用從望遠鏡觀測中得到的新發現和新知識熱情地宣傳和捍衛哥白尼的日心說，即太陽是中心，地球圍著太陽轉，而不是教會宣傳的太陽圍著地球轉。因此跟教會發生了衝突。1633年，教會把年邁的伽利略召到羅馬進行審判。枷利略被判有罪，關進了監獄。300多年之後，1979年11月，羅馬教皇才在公開集舍上正式承認對伽利略的審判是不公正的，後來又提出要重新審理這個冤案。
伽利略的望遠鏡問世不久後的1611年，德國的天文學家約翰?克卜勒便從光學原理上進行了分析。他認為應該在焦平面後加上一對凸透鏡，這樣得到放大的便會是倒像。克卜勒只是在理論上做了探討，自己沒有親自製做望遠鏡。
1640年，英國人根據克卜勒的理論製做出了一臺更加巨大的「天文望遠鏡」。加斯科因還把十字線放入望遠鏡中，所以後來的望遠鏡都採用了十字線。17世紀末，郝金斯、愛木斯頓也先後創製出了不同類型的組合目鏡，這樣才基本上完善了克卜勒式望遠鏡的結構。
可是，人們常常發現：同樣一臺望遠鏡，觀察同一個天體，觀察的結果常常會有差異。英國的皇家天文學家內維爾?馬斯基林有一個助手，他視察的結果和馬斯基林總有一點細微的差異，馬斯基林覺得這個助手不得力，就辭退了他。
馬斯基林哪裡知道，助手並非有錯，而是他的天文望遠鏡本身有誤差。後來，科學家稱這種誤差為象差和色差。象差就是從望遠鏡裡看到的東西，中心部分是清晰的，但邊緣部分就模糊。色差就是由於不同顏色的光進人望遠鏡後不能聚集於一點而造成的誤差。
為了克服這些誤差，科學家花了不少心血。17世紀中葉，有人製成了一臺焦點達18米的望遠鏡，但是，也沒有能完全克眼這些缺點。要看得遠就要擴大口徑，這就產生了色差。要減少色差，焦點距離就要相當長，裴力斯的望遠鏡達到了幾十米。霍爾和多倫特把透鏡重疊起來防止色差，發明了消色差透鏡。1668年，牛頓發明了不使用透鏡的反射式望遠鏡，完全解決了象差和色差的兩大缺點，後來人們便把這種望遠鏡稱為牛頓式反射望遠鏡。
此後，天文望遠鏡連同天文學一起一日千裡地向前發展，各種大口徑的天文望遠鏡相繼出現。
1770年，天文學家威廉?赫舍爾成功地製成了當時世界上最大的兩臺望遠鏡：一臺是焦巨6米、口徑46釐米的天文望遠鏡；另一臺更厲害，焦距12米，口徑1．2米。這兩臺天文望遠鏡能觀察極遠的天體星球，甚至能透過霧觀察天體。赫舍爾運用這兩臺天文望遠鏡系統地研究了恆星在空間的運動和分布，這是當時天文學的新領域。在研究過程中，他於1781年在上星之外發現了太陽系的另一顆行星??天王星。
1845年，愛爾蘭貴族羅斯製造了一臺更大的反射望遠鏡，它的口徑達1．8米，這個望遠鏡筒就像一個大煙筒，整個觀察室就像一個巨大的建築物。由於它過分龐大，它的用途反而受到了限制。
從17世紀到19世紀的200年間，人們在使用望遠鏡時，利用改變物鏡和呂欽間的距離來達到調焦的目的，所以那時的望遠鏡又被叫做外調焦式望遠鏡。
20世紀初，瑞士的測量儀器家威爾德又創製了內調焦式望遠鏡。他藉助雙凹透鏡的前後移動達到調焦的目的。
40年代，原蘇聯的馬克蘇託夫又發明了折反射式望遠鏡，它具有鏡身短、亮度大等優點。
目前世界上最大望遠鏡的物鏡的有效孔徑為6米，進光量比人眼高100萬倍。
近幾年來，光學望遠鏡已和電子技術結合為一體，出現了新生的光電倍增望遠鏡、射電天文望遠鏡。
1977年，美國用物鏡有效孔徑為5米的望遠鏡拍下了天王星光環的照片。同年我國天文工作者用60釐米反射望遠鏡發現天王星有一個主光環和四個小光環。
今天，望遠鏡的確成了天文學家探索宇宙奧妙的「千裡眼」了。
現在的望遠鏡分為兩類：第一類是使用消色差透鏡的折射望遠鏡；第二類是反射式望遠鏡。現在世界上最大的消色差透鏡折射望遠鏡是美國威斯康星州威廉斯灣的口徑為102釐米的望遠鏡，它收集的光為人肉眼的40000倍，放大率達3000倍。從這臺望遠鏡裡觀察38萬公裡遠的月亮，就好像在128公裡的近處看它一樣。至於反射式望遠鏡則以美國加利福尼亞州帕洛馬山的口徑為508釐米的反射式透鏡最為有名。