Précurseur du télescope, la lunette astronomique a été conçue en Hollande vers 1608. On en attribue l'invention à l'opticien hollandais Hans Lippershey, bien que quelques controverses subsistent à ce sujet. Mais c'est en 1609 que l'astronome italien Galilée présenta la première lunette astronomique. Son confrère allemand Johannes Kepler en perfectionna le principe, en proposant une formule optique à deux lentilles convexes (voir Optique). Cette idée fut mise en application vers 1630 par l'allemand Christoph Scheiner, un père jésuite astronome et mathématicien. Du fait des difficultés dues à l'aberration sphérique, la longueur focale était très élevée : jusqu'à 61 m.

Grâce à l'invention, en 1757, de l'objectif (voir Achromatisme) par l'opticien anglais John Dollond, et à l'amélioration, à partir de 1754, du verre optique à base de plomb � fortement dispersif � on put enfin construire de bons télescopes. Toutefois, le diamètre des lentilles ne dépassait pas 10 cm, ce qui limitait la taille des instruments. Des procédés de fabrication de verres de plus grande dimension furent mis au point à la fin du XVIIIe siècle par Pierre Louis Guinand, un opticien suisse qui s'associa ensuite au physicien allemand Joseph von Fraunhofer. On pouvait alors fabriquer des instruments de 25 cm de diamètre.

La seconde moitié du XIXe siècle consacra un astronome américain, Alvan Clark, qui fabriqua avec son fils Alvan Graham Clark d'excellentes optiques pour des lunettes astronomiques équipant les grands observatoires américains, l'observatoire impérial russe de Poulkovo et d'autres institutions européennes.

Dans un télescope, un miroir concave est utilisé pour former l'image. De nombreuses variantes ont été inventées pour cet instrument qui a servi à tant de découvertes astronomiques importantes. L'histoire a commencé au tout début du XVIIe siècle, quand Niccolo Zucchi, un jésuite italien, eut l'idée de se servir d'un oculaire pour observer l'image produite par un miroir concave. En 1663, le mathématicien écossais James Gregory fut le premier à proposer la formule du télescope!; le mathématicien et physicien anglais Isaac Newton en construisit une première version en 1671. Dans ce type d'instrument, la lumière réfléchie par le miroir primaire concave doit être amenée à une position d'observation, en dessous ou sur le côté de l'instrument � sans quoi l'oculaire et la tête de l'observateur occulteraient une grande partie du faisceau incident. Gregory contourna cette difficulté en interposant un miroir secondaire concave pour diriger la lumière vers l'oculaire. Henry Draper, l'un des tout premiers astronomes américains à construire un télescope, utilisera deux siècles plus tard un prisme à réflexion totale au lieu du miroir plan du télescope de Newton.

Le physicien et astronome français Jean Cassegrain inventa en 1672 un télescope utilisant un miroir secondaire convexe et non plus concave. L'astronome anglais William Herschel inclina le miroir principal et plaça l'oculaire de sorte qu'il ne fasse pas obstacle aux rayons incidents. Il a utilisé des miroirs de plus de 1,20 m de diamètre, logés dans un tube d'environ 12 m de long. Les miroirs de télescope étaient en général constitués d'un alliage de cuivre et d'étain, jusqu'à ce qu'un chimiste allemand, le baron Justus von Liebig, découvre une méthode pour déposer un film d'argent sur une surface de verre. L'argenture des miroirs devint universelle, facilitant la construction du miroir, et permettant sa réargenture à tout moment sans altérer sa forme. L'argent a été depuis supplanté par l'aluminium, qui garantit une durée d'utilisation supérieure.

En 1931, l'opticien allemand Bernhard Schmidt inventa un télescope à large champ, dont le principe combine réflexion et réfraction. Le télescope de Schmidt incorpore une lame correctrice asphérique placée à l'entrée de l'instrument. Le plus grand télescope de ce type (lentille de 1,34 m de diamètre et miroir de 2 m) est celui de l'observatoire Karl Schwarzschild à Tautenberg, en Allemagne.

À l'heure actuelle, le plus grand télescope du monde est le télescope Keck (9,82 m de diamètre) de l'observatoire de Mauna Kea à Hawaii. Les autres grands télescopes (plus de 2,5 m de diamètre) sont à Zelentchouk (6 m), en Russie, au mont Palomar (5,08 m), en Californie, au mont Roque de los Muchachos (4,19 m) sur l'île de La Palma, aux Canaries, au sommet du Cerro Tololo (4,01 m) près de La Serena, au Chili!; à l'observatoire anglo-australien près de Coonabarabran en Australie (3,89 m)!; à l'Observatoire national de Kitt Peak près de Tucson, dans l'Arizona (3,81 m) et à Mauna Kea (3,81 m). Le pionnier en la matière fut le télescope de 2,54 m de diamètre de l'Observatoire du mont Wilson, situé à Pasadena, en Californie : demeuré célèbre pour avoir servi dans les années 1920 aux travaux de l'astronome américain Edwin Hubble, son utilisation cessa de 1985 à 1992 sous l'effet, entre autres, de pressions financières.

La conception du télescope de Keck marque une innovation importante : la surface réfléchissante de l'instrument est composée d'une mosaïque de trente-six miroirs hexagonaux, tous orientables individuellement grâce à trois vérins. Elle équivaut à un miroir primaire de 10 m de diamètre, sans en avoir le poids. Des techniques dites d'optique active permettent de jouer en temps réel sur les vérins pour optimiser le profil de la surface réfléchissante totale. Un second télescope � Keck II � doit être mis en service au sommet du Mauna Kea.

Autre instrument remarquable, le télescope à miroirs multiples (MMT) du mont Hopkins, au sud de Tucson, dans l'Arizona. Achevé en 1979, le MMT juxtapose six miroirs concaves de 1,83 m de diamètre pour recueillir autant de lumière qu'un télescope de 4,5 m de diamètre. Ce dispositif sera bientôt remplacé par un miroir unique de 6,5 m de diamètre.

D'ici à 2001, d'autres grands instruments d'observation devraient être mis en service, dont les quatre télescopes de 8,2 m de diamètre du programme européen VLT � Very Large Telescope � au sommet du Cerro Paranal (2 640 m), au Chili.