自1609年意大利天文学家伽利略创制第一架天文望远镜以来，直到20世纪30年代建成第一架在无线电波段探测来自天体的射电望远镜之前的300多年间，天文望远镜就是光学望远镜的同义语。按照成像原理光学望远镜分为三大类：用透镜作物镜的称为折射望远镜，用反射镜作物镜的称为反射望远镜，兼用透镜和反射镜作物镜的称为折反射望远镜。按照探测天体辐射的不同波段则分为光学望远镜、射电望远镜、红外望远镜、紫外望远镜、X射线望远镜和γ射线望远镜。光学天文望远镜常包括近红外和近紫外波段。1957年人造卫星上天后，空间望远镜可以观测到整个电磁波段。
望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，即提高角分辨能力，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。目视望远镜由物镜和目镜两组镜头及其他部件组成（见图）。光线先经过物镜，后经过目镜，人眼在目镜的后面观测。为了减小望远镜的像差，物镜和目镜通常都由多个光学元件组成。人眼的分辨角大约是1′。若使物镜和目镜的焦点重合，入射的平行光束，经过望远镜后仍然是平行光束。两束交叉入射的平行光束，经过望远镜后出射时，夹角被放大的倍数称为放大率（或倍率），它等于物镜和目镜焦距之比。另一方面，此时出射的平行光束变细了，入射和出射平行光束截面直径之比，也恰好等于望远镜的放大率。只要有一定的放大率，使出射的平行光束直径小于瞳孔的直径，物镜收集到的一束很粗的平行光就可全部送入人眼。望远镜物镜所能收集的最大的光束直径，称为口径。望远镜观测到的范围，称为视场，通常以角度来表示。视场大小和目镜的结构有关。对于同样类型的目镜，视场直径与放大率成反比：放大率越高，视场越小。由于受到衍射、天文宁静度和望远镜本身的缺陷（像差、加工误差等）的限制，望远镜的角分辨能力并不能随着放大率的增加而无限提高，安置在地面上的望远镜，通常达到的最小分辨角约为十分之几角秒。
折射望远镜的类型有伽利略望远镜和开普勒望远镜。伽利略制成的望远镜的目镜是负透镜，称为伽利略望远镜，观测到的是正像，视场较小。开普勒采用正透镜作目镜，这样的望远镜称为开普勒望远镜。用它观测到的是倒像，视场较大。开普勒望远镜为了获得正像，常在物镜和目镜之间加入两块转像直角棱镜，观测地面目标的双筒望远镜就常用这种结构。天文望远镜在光学原理上与观测地面目标的望远镜并没有区别，只是口径大、倍率高和允许倒像。反射望远镜在1668年由I.牛顿首先制成。反射望远镜没有色差，反射镜材料可不受透射光学材料尺寸的限制，望远镜口径可以做得很大，镜筒也较短。现代天文望远镜几乎都是反射望远镜。很多反射望远镜为了扩大视场和改善成像质量有像场改正透镜，仍然称为反射望远镜。折反射望远镜是大视场望远镜，典型的有施密特望远镜和马克苏托夫望远镜。天文研究主要用施密特望远镜，马克苏托夫望远镜一般用在天文科普上。折反射望远镜受透射改正镜材料尺寸限制的影响，口径很难做大，但20世纪90年代，中国天文学家创新发明的主动光学反射改正镜的施密特望远镜（称为“王-苏主动反射施密特光学系统”）——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（郭守敬望远镜，以下简称LAMOST），突破了施密特望远镜这类大视场望远镜口径做不大的难题。
有目镜的望远镜是用人眼看的目视望远镜。从1609年伽利略创制第一架天文望远镜，到照相术开始应用于天文观测之前的二百多年间，望远镜是目视观测的。当照相术应用于天文观测以后，用作照相的望远镜，直接在物镜的焦面上放置照相底片，这种望远镜实际上就是一架大型照相机，在这种情况下，底片上物像的线长度是和物镜的焦距成正比的。20世纪出现CCD电荷耦合器件（简称CCD探测器），就是直接在焦面上放置CCD探测器。照相底片和CCD探测器靶面所对应的范围，称为视场，一般仍以角度来表示，可用视场的大小与物镜的结构有关，它主要受像差的限制。望远镜物镜的口径D和焦距f之比，称为相对口径，也称为光力，常记为A，它的倒数称为焦比。对于面状天体（如像大于底片颗粒的星云、星系，特别是包括底片上的天空背景）像的照度和A2成正比，而不再与D有关。对于线状天体（如在焦面上移动的像宽度小于底片颗粒的人造卫星、流星），像的线照度与A和D成正比。对于点状天体（如像小于底片颗粒的恒星）像点的总能量与D2成正比，而不再与A有关。照相时，根据不同对象选用口径、相对口径和视场适当的望远镜。
除了科普或其他特别用途的望远镜，天文望远镜是用照相底片（从前）和探测器（现在）接受天体的辐射。照相底片和CCD探测器具有人眼没有的累积性，因此曝光时间可以延长，可以拍摄到比人眼看要暗很多的天体像。另外照相底片和CCD探测器拍摄的照片可以对天体的位置准确定位，特别是CCD探测器可以很方便地将大量的观测数据实时记录在计算机上。可知照相底片和CCD探测器的出现和应用对天文观测带来了极大的影响。哈勃空间望远镜（HST）著名的极端深场XDF对准一小块天区，持续观测50天，累计曝光时间超过200万秒，获得截至2022年已知的最深远的宇宙图像，揭示了最遥远最黯淡的星系。2021年底成功发射并开始观测的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）开始用同样的方法曝光观测揭示最早期的宇宙。
1931年，K.G.央斯基用地面通信的天线发现来自银河系中心方向的射电波（无线电波），从而开启了射电天文学和开始研制射电望远镜。与光学波段不同的是，光学望远镜出来之前，人的眼睛就可以看到光学波段的天体，就有了天文学（中国古代天文学家和西方古代天文学家第谷就是用眼睛观测研究天体），有了望远镜以后就能看得更清楚和获得更丰富的信息。在央斯基发现射电波之前人类不知道天体有射电波。第二次世界大战雷达技术的发展，大大推进了射电天文望远镜的研制。截至2023年，世界上最大的全可动天线射电望远镜是口径110米×100米的格林班克射电望远镜（GBT），最大的固定天线射电望远镜是中国的500米口径球面射电望远镜（FAST，被誉为中国天眼）。尽管射电望远镜相对波长短得多光学望远镜口径容易做得很大，但是由于波长很长，分辨率不高，就有了甚大望远镜干涉阵（VLA）和甚长基线干涉仪（VLBI），其很长的基线（最长可以是地球直径）可以得到很高的分辨率。望远镜干涉阵首先在射电望远镜中发展并大量使用，尽管光学望远镜波长要短得多，建造干涉阵也难得多，建造大型干涉阵仍是光学望远镜的发展方向。1974年，法国天文学家A.拉贝里（Antoine Labeyrie）在尼斯天文台建成用两个独立望远镜（I2T）的长基线干涉仪，直接观测天体的干涉条纹；1979年，美国基特峰国立天文台（见美国国立光学-红外天文研究实验室）首任台长、亚利桑那大学光学科学中心创始主任A.B.迈耐尔（Aden B.Meinel）教授在霍普金斯天文台建成了第一台多镜面望远镜（MMT）；他们是发展天文光学望远镜干涉仪的先驱。21世纪初，美国的2架10米凯克望远镜干涉仪（Keck-I），和欧洲甚大望远镜干涉仪（VLTI）（4架8米望远镜和4架1.8米望远镜）建成并开始观测。
1957年人造卫星上天以后，特别是20世纪70年代以后，空间天文开始发展起来，空间望远镜开始出现。空间望远镜突出两点：一是没有大气吸收和扰动，可实现全波段高分辨观测；二是空间观测温度低，天空背景噪声小。过去也曾通过高空科学气球观测X射线，但仪器在气球不稳定，且高度不够，存在部分大气的吸收。空间观测实现后，天文就实现了全电磁波段观测，如20世纪欧美等国发射的赫歇尔空间天文台（HSO，远红外），哈勃空间望远镜（HST，光学），詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，光学/红外），远紫外分光探测器（FUSE，远紫外），伦琴X射线天文台（ROSAT，X射线），国际γ射线天体物理实验室（INTEGRAL，γ射线），斯皮策空间望远镜（SST，红外）。中国在2015年发射了其首颗天文空间望远镜“悟空号”暗物质粒子探测卫星（DAMPE，γ射线），随后发射了硬X射线调制望远镜“慧眼”（HXMT），2022年10月9日发射了先进天基太阳天文台“夸父一号”（紫外线、可见光和X射线），计划2023年发射空间站2米巡天望远镜（光学）。
为了收集更多的辐射，对天体作更仔细的研究和观测更暗弱的天体，最重要办法的是增大望远镜的口径。截至2022年，最大的单口径光学/红外望远镜是10.4米加那利大型望远镜（GTC）；正在研制的最大的光学红外望远镜是口径39米的欧洲极大望远镜（E-ELT）；最大全可转动射电望远镜是格林班克射电望远镜（GBT）；最大固定反射面望远镜是口径500米的FAST；最大空间光学/红外望远镜是口径是6.5米的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）；最大的光学/红外望远镜干涉阵是甚大望远镜基线长度200米的干涉阵（VLTI）；最大的射电望远镜甚长基线干涉仪VLBI的基线长度是地球直径。望远镜的分辨本领受到衍射、天文宁静度和望远镜缺陷这三方面的限制。增大望远镜的口径，采取干涉阵，将望远镜发射到空间去，把望远镜设计和制造得更精良，仍然是不断努力的方向；此外，主动光学、自适应光学和计算机图像处理等技术，也在不断在打破上述限制。
天文学需要更大的望远镜，但随着天文望远镜的口径增大，望远镜自身的重力和环境温度影响也增大，从而使磨制得很好的镜面和准直得很精确的望远镜在工作时很难保持理想状态，由此催生了主动光学的产生。20世纪90年代到21世纪初，得益于主动光学，全世界建造了14架8米～10米的大型光学/红外望远镜。现在又正在研制下一代的极大光学/红外望远镜，即25米巨型麦哲伦望远镜（GMT），30米望远镜（TMT），39米欧洲极大望远镜（E-ELT）。在极大光学/红外望远镜的研制中，主动光学和自适应光学都起到最重要的作用。这是因为口径增加到极大，如不采用自适应光学，受限于大气扰动，望远镜只能提高集光能力但分辨率无法提高。这3架极大望远镜都是要靠主动光学和自适应光学技术。
中国光学天文最大的望远镜是2008年研制成功的LAMOST，其最大的镜面是6.67米×6.05米，拥有国际上最大的施密特改正镜（5.74米×4.4米），是世界上最大的光谱巡天望远镜。中国最大的精测望远镜是位于云南丽江的2.4米望远镜和20世纪80年代自主创新研制的2.16米光学望远镜。中国在光学望远镜上的投入还太少，虽已完全掌握做口径12米甚至30米的光学望远镜的自主技术，但缺乏经费支持，这已严重影响了中国天文学的发展。
用天文望远镜观测运动中的天体，不仅要对准观测对象，而且往往需要以很高的精度（对光学望远镜来说是十分之几角秒）进行跟踪。要达到这样高的精度，望远镜的机械结构必须十分精密。主动光学技术使得当代大型和极大型望远镜的镜面表面几何形状准确到二十几分之一波长，并在转动中保持这样高的精度和光学系统的准直。在望远镜获得天体像后，还需配置和更换称为终端设备的各种探测器和专门仪器（如分光仪器、CCD相机等）。现代的天文望远镜都配置有电子计算机，以精密控制望远镜的运动，并进行自动观测和数据的实时处理。
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