1608年，荷兰眼镜商李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，制造了人类历史第一架望远镜。1609年，天文学家伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的折射式望远镜。这架望远镜将天文学带入了望远镜时代。
随后在1611年，德国天文学家开普勒又将天文望远镜作了改进，提高了放大倍数。直到今天人们使用的折射式望远镜还是这两种。天文望远镜采用的是开普勒式。折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，比较适合于做天体测量方面的工作。但是它也有一定的缺陷，巨大的光学玻璃浇制也十分困难，到1897年折射望远镜的发展达到顶点，技术上的限制使得此后的一百多年中再也没有更大的折射望远镜出现。
1668年诞生了第一架反射式望远镜。经过多次磨制非球面的透镜失败后，牛顿另辟思路发明了反射望远镜。用反射镜代替折射镜是一个巨大的成功。它有许多优点，而且相对于折射望远镜比较容易制作，虽然它也存在固有的不足。
折反射式望远镜最早出现于1814年。到了1931年，德国光学家施密特将一块近于平行板的非球面薄透镜与球面反射镜相配合，制成了一架折反射望远镜。这种望远镜光力强、视场大、象差小，适合于拍摄大面积的天区照片，尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。这类望远镜已经成了天文观测的重要工具。它兼顾折射和反射两种望远镜的优点，非常适合业余的天文观测和摄影。
三百多年来，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。1932年，央斯基（Jansky. K. G）用无线电天线探测到来自银河系中心（人马座方向）的射电辐射，标志着人类打开了在传统光学波段之外进行观测的第一个窗口。二次大战后，射电天文学脱颖而出。射电望远镜为射电天文学的发展起了关键的作用。六十年代天文学的四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，都是用射电望远镜观测得到的。