物鏡為透鏡的光學望遠鏡。1609年，義大利科學傢伽利略在得知有人發明瞭望遠鏡的消息後，隨即用一凸透鏡為物鏡，用一凹透鏡為目鏡，分別置於一個管筒的兩端，製成一架放大率3倍的望遠鏡。隨後又製成另一架放大率8倍的望遠鏡。最後，製成一架口徑4.4釐米，筒長1.2米，放大率33倍的望遠鏡。這就是天文學史上的第一架天文望遠鏡。後人稱之為伽利略望遠鏡（圖1）。該光學系統的特徵是成的像是正像，像在焦平面之前。伽利略從1609年底起用他手制的望遠鏡鏡指向夜空，觀察天象，作出許多劃時代的天文發現，從此天文學進入用望遠鏡觀天的新時期。
圖1 伽利略望遠鏡
1611年，德國天文學傢J.開普勒采用凸透鏡即正透鏡為目鏡，這樣的望遠鏡成像在焦平面之後，像是倒像。後人稱之為開普勒望遠鏡。由於這種光學系統的出射光瞳在目鏡之外，便於目視觀測，因此從17世紀中葉起天文學傢普遍采用開普勒望遠鏡。
直到18世紀初，折射望遠鏡的物鏡都是單透鏡，色差和球差均很嚴重。1756年，英國光學傢J.多隆德發明瞭由一冕牌玻璃凸透鏡和一火石玻璃凹透鏡組合而成的消色差復合物鏡，才使得折射望遠鏡成為18～19世紀目視觀天的主要天文儀器。
冕牌玻璃和火石玻璃都難以鑄成質地既均勻、尺寸又足夠大的透鏡毛坯，因此世界上最大的折射望遠鏡的物鏡口徑是104厘米（圖2）。現在存世的口徑66～104厘米的大型折射望遠鏡總共隻有12架，其中11架都建於19世紀80～90年代，正是折射望遠鏡的全盛時期。進入20世紀後，天文學的進展要求要有聚光本領更強大的天文望遠鏡，觀天的主力幾乎全都讓位於口徑可建造得更大的反射望遠鏡。此外，雖然20世紀還發明瞭由三四片透鏡組成的大視場消色差天體照相儀，但最終也為口徑更大、光力更強的折反射望遠鏡所取代。
圖2 世界上最大的折射望遠鏡