望遠鏡與天文望遠鏡之間的本質不同在於為目鏡提供放大對象的不同光學元件。在天文望遠鏡中，光線的聚集不再像望遠鏡那樣通過透鏡的折射來實現，而是通過在凹麵鏡表麵反射來完成，由此自發生成了用來區分這兩種不同儀器的名稱：第一種叫作折射望遠鏡，第二種叫作反射望遠鏡。
天文望遠鏡的發明緊隨望遠鏡之後。意大利的僧侶Zeucchi似乎在1616年就產生了天文望遠鏡的構想，但直到1663年這一創意才在英國物理學家格雷戈裏的筆下成形。通常認為第一架反射式望遠鏡是牛頓發明的，該儀器與格雷戈裏的設想有些不同。隨後，各種型號的天文望遠鏡層出不窮，到了今天也是如此。如文中插圖所示，在牛頓的天文望遠鏡中，獲取的圖像經主鏡凹麵鏡反射到主鏡焦點前呈45度傾斜的副鏡小平麵鏡上，再通過副鏡反射到側邊的目鏡上。在格雷戈裏的最初設想中，天文望遠鏡的觀測同望遠鏡一樣，是在設備後麵進行的，圖像經主鏡和主鏡焦點外的副凹麵鏡兩次反射後，從主鏡中央的小孔射出，到達目鏡；卡塞格林的設計方案同格雷戈裏的類似，不同的是副鏡為凸麵鏡，且位於主鏡焦點之前。這些不同類型的天文望遠鏡可擁有不同焦距，因而在提供某些特定便利的同時，可以或多或少地壓縮設備體積，對於特定的研究而言各具優勢。
赫維留的超長望遠鏡版畫，摘自約翰·赫維留的《天文儀器》，格但斯克，1670年。
（加利福尼亞）帕薩迪納附近威爾遜山天文台的一架大型現代天文望遠鏡的機器裝備
牛頓的反射式望遠鏡（1672年），位於倫敦皇家科學院內。
威廉·拉塞爾的大型青銅反射式望遠鏡（1860）
（芝加哥大學）葉凱士天文台口徑1米的大型望遠鏡——野性世界
在早期的天文望遠鏡中，鏡麵都是由拋光的青銅製成的，很快，人們便對此進行了改進。還要注意的是，由於透鏡鏡片的質量問題遲遲得不到解決，再加上不同曲率鏡片的生產問題，製造這種僅具有單個反射曲麵的元件要比製造透鏡容易得多。反射鏡的另一個優點在於在其表麵反射的各種有色光線不會產生透鏡折射造成不平等的偏斜這樣的問題。綜上，人們有可能製造出比早期望遠鏡更好的儀器，況且在同等的條件下，天文望遠鏡的性能更佳——多虧威廉·赫歇爾自製出超長望遠鏡，他才得以探索太空，有了不朽的發現。一個世紀後，富有的英國業餘愛好者們也以他為榜樣，其中包括拉塞爾和羅斯爵士。他們製造出了對其時代而言異常巨大的天文儀器，羅斯爵士製造出的天文望遠鏡口徑達1.83米，理論上可以放大6000倍！