当伽利略用日心说证据震撼整个科学界时，只依靠了一个用两个玻璃片和一个小管子做的简易望远镜，但人们对这个小玩意如何在那个时代产生巨大影响并不十分了解。

十六世纪之前，人们一直认为宇宙学是哲学家的钻研领域，其目的是探寻宇宙的物理结构；而天文学的主要任务，则是用数学的方法记录各个天体的具体位置，从而制订历法，并为占星学提供依据。因此，数学家们研制了许多用肉眼观测天文现象带刻度的工具。想要逾越宇宙学与天文学之间的鸿沟，通过精确的天文观测来确定宇宙的结构，一直到伽利略·伽利雷发明望远镜之后才成为可能。

望远镜的物理原理并不复杂，凸透镜和凹透镜的性质在古希腊时期就被人们掌握，而在工艺上磨制合适的镜片却要到15世纪了。

最初，人们通过对球形玻璃进行切割获得镜片。从十五世纪末期开始，一些德国的眼镜制造商开始从平板形的玻璃上切割镜片，然后放在凹形或凸形的模具中打磨。这样的生产方式使得人们能够获得屈光度更为精确的镜片。加之十三世纪末期，意大利的威尼斯已能生产出瑕疵较少、透明度相当高的新型玻璃，少数眼镜商决定使用这种高质量的镜片进行生产。这些都为望远镜的诞生铺平了道路。

1608年，放大镜和望远镜的专利在荷兰被多人提交。荷兰政府对这种新型观测工具在军事上的应用表现出了极大的兴趣，谁知到了年底，却决定不批准这些专利申请了——因为这种由一片老花镜片和一片近视镜片构成的金属管的构造实在太简单了。几个月以后，这种放大工具的制造秘诀就传遍了大半个欧洲。

当时，伽利略正在意大利的帕多瓦大学任教，经常利用业余时间设计制造一些科学仪器。他深深了解科学工具与科学研究之间的密切联系，同时也具备相当的设计及制造才能。1609年，他获悉荷兰眼镜商发明了“单筒望远镜”，便找来一只加以研究。结果很快被这种装置吸引，并立刻加以改进。在1609年末至1610年初，他成功将望远镜的放大率从原有的两三倍提升至大约三十倍。经过改进后的望远镜，脱离了荷兰人发明的雏形，成为了伽利略的重要研究工具。

伽利略在制作出望远镜之后，首先将其献给了威尼斯的贵族。贵族们对这种望远镜在军事上的用途非常感兴趣，而伽利略也顺利拿到资助得以继续用望远镜观测天体。

1610年3月，伽利略公布了自己借助望远镜所观测到的首批天文学发现：银河是由无数星体构成的、月球表面高低不平、木星周围有四颗卫星等。这些发现震惊了整个欧洲，几个月后，又一批观测成果接踵而来：太阳表面存在黑子、金星存在盈亏现象以及土星的奇怪外观等。

原来，伽利略改进了30多倍的望远镜之后，首先观测的便是离地球最近的天体——月球。他惊讶地发现，月球表面并非人们想象中那么完美无暇，而是坑坑洼洼。从此之后，月球不再是之前如亚里士多德所认为的半透明的、完美的球体，也不是但丁所描述的第一个“行星”，一个“永恒的珍珠，壮丽地直升入天堂般的苍穹”了。这证明了天体并非上帝所造完美无缺的物体，这在很大程度上挑战了天主教会所宣扬的教义。

而他通过望远镜观测，得到最著名的发现莫过于木星的卫星。

1610年1月7日，伽利略通过望远镜观察到了当时被描述为“三个固定天体，因为渺小而几乎看不见”的木星卫星，它们都靠近木星，成一条横跨的直线。然而，第二天晚上观测时发现那些木星旁边的天体竟然改变了位置，那么，它们作为固定天体就无法解释了。3天后，它们其中的一个甚至消失了，伽利略认为是因为天体藏到了木星的背后。几天后，伽利略得出结论：它们在环绕木星运行。同时，他还发现了木星四个卫星中较大的三个，并于1月13日发现了最后一个。后世的天文学家将它们命名为伽利略行星以纪念它们的发现者，这些行星如今被命名为艾奥、欧罗巴、伽倪墨得斯和卡利斯托。

伽利略对木星光环的观测极大地打击了当时占据统治地位的“地心说”。按照“地心说”的理论，所有天体都应该围绕地球旋转，然而到了1611年，伽利略已经总结出相当精确的卫星运行周期。

伽利略望远镜的另一个重大发现是土星环。最初，当伽利略观测土星时，将土星环误判为行星，甚至是卫星，以为这是一个由三部分组成的星系。之后，当他再度观测时，土星环则直面地球，以至于认为之前的那两部分突然消失了。1616年，他再次观测土星时，环又重新出现。他对此非常疑惑，一直到后来才意识到，这不是“行星，卫星或者三组分的星系”，只能是环。由此，伽利略成了发现土星环的第一人。

除了木星和土星之外，伽利略对金星，太阳黑子和银河系也都进行了观测，这成为了人类第一次以科学态度审视星空的记录。

而伽利略用这架望远镜指向天空，得到了一系列的重要发现，宣告了天文学从此进入了望远镜时代。

在伽利略的基础上，1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高。

1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。

十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之出现了一个制造大口径折射望远镜的高潮。

但由于折射镜片通过固定边缘和侧面，这个支撑结构的致命弱点，导致镜片很大很沉之后，重力引起的变形会让望远镜无法维持理想的形状，后来专业天文台望远镜都向反射望远镜发展。不过，凭借没有中心遮挡、锐度好、镜筒消光趋于完美等优势，折射望远镜在中小口径望远镜中，依然有很大的潜力。