No século VII, os árabes instalaram observatórios em Bagdá, Cairo, Damasco e outros centros importantes, e construiram quadrantes e torqueti, idealizados por Ptolomeu, assim como ampulhetas, astrolábios e esferas armilares. Quando conquistaram a Espanha no século XI, os árabes estabeleceram observatórios nestes novos centros, de modo que a astronomia passou para a Europa sem interrupção. Em 1571 foi publicado o livro do matemático inglês Leonard Digges (c.1520-c.1559) Geometricall Practise, name Pantometria, descrevendo o teodolito, que permite m edidas angulares, horizontais e verticais, precisas, a partir de um ponto de referência. Digges também descreveu um sistema com uma lente de longa distância focal e outra de curta distância focal em 1550, que pode ser interpretado como um precursor do telescópio.

Galileo começou suas observações telescópicas em 1610, usando um telescópio construído por ele mesmo. Não cabe a Galileo o crédito da invenção do telescópio, no entanto. Lentes rudimentares escavadas na ilha de Creta datam de 2000 aC. Lentes e óculos já eram usados desde cerca de 1350, e a maioria dos historiadores aceita que o primeiro telescópio foi construído pelo holandês Hans Lippershey (1570-1619), em 1608, na cidade de Middlesburg, em Zeeland, Holanda. Galileo Galilei (1569-1642) soube desse instrumento em 1609, e sem ter visto o telescópio de Lippershey construiu o seu próprio, com aumento de 3 vezes, em 1610. Em seguida ele construiu outros instrumentos, o melhor com 30 vezes de aumento.

Estes telescópios eram refratores, com lentes:

como o grande telescópio construído por William Herschel

O telescópio de Galileo, construído em 1609-1610, era composto de uma lente convexa e uma lenta côncava. Johannes Kepler (1571-1630), no seu livro Dioptrice publicado em 1611, explicou que seria melhor construir um telescópio com duas lentes convexas, como se usa atualmente. Em 1668 Isaac Newton (1643-1727) construiu um telescópio refletor (catóptrico, do grego kátoptron, espelho), usado atualmente em todos os observatórios profissionais, com um espelho curvo (parabolóide ou hiperbolóide) ao invés de uma lente, usada nos telescópios refratores (dióptrico) de Galileo e Kepler.

Newton argumentou que a luz branca era na verdade uma mistura de diferentes tipos de raios que eram refratados em ângulos ligeiramente diferentes, e que cada tipo de raio diferente produz uma cor espectral diferente. Newton concluiu, erroneamente, que telescópios usando lentes refratoras sofreriam sempre de aberração cromática.

Aberração cromática e geométrica: o foco para cores diferentes ou para posições diferentes dos raios na lente estão em posições distintas.

Newton então propôs e construiu um telescópio refletor, com 15 cm de comprimento.

Newton colocou um espelho plano no tubo, a 45°, refletindo a imagem para uma ocular colocada no lado. A ocular é uma lente magnificadora colocada no foco do telescópio, e usada para olhar a imagem. O telescópio de Newton gerava imagens nove vezes maior do que um refrator quatro vezes mais longo. Os espelhos esféricos construídos naquela época produziam imagens imperfeitas, com aberração esférica.

Guillaume Cassegrain (1625-1712) propôs em 1672 usar um espelho convexo secundário para convergir a luz para um buraco no centro do espelho principal, mas espelhos curvos não podiam ser feitos naquela época. A maioria dos telescópios modernos tem foco Cassegrain. A distância entre o espelho secundário e o primário, aumentando a distância focal, age como uma telefoto, permitindo grande escala de imagem.

A maior lente que se pode construir tem aproximadamente 1 metro de diâmetro, pesa meia tonelada, e deforma-se devido ao seu próprio peso, já que não pode ser apoiada por trás, como um espelho pode.

A sensibilidade de um telescópio aumenta com o tamanho da área coletora, e portanto com o quadrado do diâmetro, de modo que dobrando o seu tamanho, podemos detectar objetos quatro vezes mais fracos. Os telescópios na Terra podem enxergar objetos da ordem de 1 segundo de arco ou maiores (1 segundo de arco corresponde a uma moeda de 25 centavos a 50 km de distância!). Com ótica ativa, que modifica rapidamente a forma dos espelhos para compensar a variação causada pela atmosfera da Terra, este limite está decrescendo para aproximadamente 0,3 segundos de arco.

Em 1948 foi inaugurado o telescópio Hale, de Monte Palomar, na Califórnia, com um espelho primário de 200 polegadas (5 metros) de diâmetro. Este foi o maior telescópio do mundo por três décadas. Desde 1990 o maior telescópio é o Keck, no Havaí, com 10 metros de diâmetro. Na verdade existem atualmente dois telescópios Keck, I e II, idênticos, e seus espelhos, de 10 metros cada, são formados por mosaicos de espelhos menores.

Os maiores telescópios de espelhos únicos (monolíticos) são o VLT do European Southern Observatory, no Chile, e o Gemini Norte, no Havaí, com 8 metros de diâmetro de espelho principal.

Os telescópios modernos têm focos Ritchey-Chrétien, propostos por George Ritchey (1864-1945) e Henri Chrétien (1879-1956), onde o pequeno espelho secundário do Cassegrain é substituído por outro de forma mais complexa, que permite a correção da imagem para um campo maior. Na verdade tanto o primário quanto o secundário são hiperbolóides, neste sistema.

Para grandes campos, os telescópios mais utilizados são os catadriópticos (espelho mais lente corretora) do tipo Schmidt-Cassegrain, desenvolvidos pelo estoniano Bernhardt Voldemar Schmidt (1879-1935), ou Maksutov, desenvolvidos pelo russo Dmitri Maksutov (1896-1964). Os Maksutovs são muito parecidos com os Schmidts, mas têm placa de correção curvada, permitindo maior campo e maior contraste.

Muitos observatórios têm ainda um foco Coudé (cotovelo, em francês) em seus telescópios equatoriais, em que um conjunto de espelhos leva a luz para uma posição de grande distância focal, e portanto de grande magnificação (escala de campo). Normalmente os espelhos direcionam a luz através de um furo no eixo polar do telescópio. Para montagens alto-azimutal, a luz pode ser direcionada ao longo do eixo de altura para um dos dois focos Nasmyth [James Nasmyth (1808-1890)] na lateral do telescópio.