四百年前伽利略首次把望远镜指向天空，结束了人类一直用肉眼进行天文观测的历史。一百五十年前，照相技术和光谱技术开始在天文观测中应用，单纯以人眼作为天文探测器的时代结束，天体物理学诞生并发展成为现代天文学的主流。五十多年前，在第二次世界大战中得到蓬勃发展的无线电技术使得天文学家的视野超出了可见光，射电天文学诞生。此后不久宇航时代到来，空间天文学诞生，人类对宇宙的观测扩展到了伽马射线、X射线、紫外和红外波段。
从二十世纪九十年代开始，天文学正经历着革命性的变化。这一变化是由前所未有的技术进步推动的，即望远镜的设计和制造、大尺寸探测器阵列的开发、计算能力的指数增长以及互联网络的飞速发展。
望远镜技术的进步使得人类可以建造大型的空间天文台，为伽玛射线、X射线、光学和红外天文的发展开辟了新的前景，同时也推动了新一代的大口径地面光学望远镜和射电望远镜的建造。现在，天文学家们正在计划建造功能更好口径更大的空间和地面望远镜，并将配备尺寸更大象素更多的探测器。随着众多先进的地面与空间天文设备的投入使用，大规模的观测数据正在产生，例如目前哈勃空间望远镜每天大约产生50亿字节的数据，我国正在建造的LAMOST望远镜也将产生每天30亿字节的数据，美国计划建造的“大口径巡天望远镜”将会达到每天10万亿字节的量级！目前，世界天文学数据量增倍的周期已经缩短到一年以内。
使天文学研究发生重大变化的另一个技术进步是快速互联网技术，这使得异地天文数据的交换和处理成为可能，使得观测数据具有巨大的科学产出的潜在意义。
巡天，就是对整个天区进行观测、普查。如果利用伽马射线巡天、X射线巡天、紫外巡天、光学巡天、红外巡天和射电巡天所得到的观测数据，用适合的方法对数据进行统一规范的整理、归档，便可以构成一个全波段的数字虚拟天空；而根据用户要求获得某个天区的各类数据，就仿佛是在使用一架虚拟的天文望远镜；如果再根据科学研究的要求开发出功能强大的计算工具、统计分析工具和数据挖掘工具，这就相当于拥有了虚拟的各种研究设施。这样，由数字虚拟天空、虚拟天文望远镜和虚拟研究设施所组成的机构便是一个独一无二的虚拟天文台。
远在第一个望远镜被发明之前，人类就已经对晶体感兴趣相当一段时间了。晶体经过特定加工以后可以得到一个半球面，一个半球面有一凸一平两个面，光线在凸面被汇聚。很曲的球面焦点就会离晶体很近。短焦距的晶体更适合做显微镜而不是望远镜。
透镜比晶体更有可能作为望远镜。凸透镜最开始用来矫正远视。透镜和晶体半球都有一个凸面，使平行光线稍稍汇聚，透镜成像的点可以离透镜非常远。这就给人类提供了足够大的能仔细观察的像。
最早的透镜使用可以追溯到公元11世纪的中东，用来放大物体。在13世纪下叶，据说一位英国修道士发明了短焦距透镜，用来帮助阅读圣经。直到1440年，用来矫正近视的透镜被打磨出来。又过了4个世纪，才用完整的眼镜装置来纠正透镜的散光。
最早的望远镜就是在已经成熟的近视和远视的透镜基础上做成的。远视镜为凸镜汇聚光线，可成虚像，使用第二个透镜就可以在较近的距离观察。汇聚透镜（凸透镜）有两个作用：汇聚光线(提高光线强度)，扩大物体；都有利于观察。而近视镜（凹透镜）则扩散光线，缩小物体，增加眼的焦距，纠正近视眼的短焦距。使观察远距离物体时眼的晶体放松。可能只是偶然把两种透镜用在一起，就发现了一种魔术般的效果，远处不可见的景物隐约可见了。
望远镜一旦出现，两个新的视觉问题就出现了。其一是，通过望远镜看到的是一个弯曲的碗底状的世界，不同于裸眼所见。1650年虽然一个天文学家通过使用一组透镜的方法获得了较宽的视野范围，但望远镜的视野至今还是相对封闭的。另一问题更棘手，透镜的折射率因光线的波长和频率不同而不同。产生的问题是频率较大的特定颜色的光线较其他颜色更强的被弯曲。使物体看起来更多彩了（失真）。
伽利略的第一个望远镜只解决了人不用离望远镜很远就可以观察的问题。他使用两个固定距离的透镜，两者距离由焦距算出。物镜为一较平的凸透镜，汇聚光线，另一个较小的透镜，较凸，焦距短，使观察眼可以离像较近，有利于观察事物的细节。但伽利略的望远镜只是把焦点放在接近目镜视野中间的位置。而且他的焦点只是按他观察时主要颜色的光线计算。因此伽利略通常只观察月亮，金星，木星等，而达到比较理想的效果。
之后又有人改进了目镜，使用两个平凹的透镜作目镜，是物体的弯曲变形得到一定程度 的纠正，再之后目镜制作越来越精细，物体的变形得到更好的纠正。
关于多彩的问题在1670年及以后通过调整物镜也得到一定改善。另外还有早期反射镜的问题，一开始用球面金属镜，不是所有光线的都汇于同一焦点。到1740年，通过改变反射镜形状问题得到一定改善。1850年后开始使用银作为反射镜。但银会很快氧化而不能用。1930年出现特殊的铝制反射镜。另外使用更小的反射镜。
同时折射望远镜也得到应用。通过折射使红光和绿光汇于共同焦点。1725年最开始出现，使用一个凸透镜和一个凹透镜，用不同的玻璃制成，得到非彩色的物体像。因其便宜，今天成为业余天文爱好者的最爱。19世纪中叶，相关人员把蓝紫色加入。
今天天文爱好者有很多望远镜种类选择，但仍然没有最完美的。同时折射望远镜成为主角，图像清晰度更好。但只有较小的目镜视野。今天所有的望远镜都源于当初两个不同曲率的透镜。当代天文望远镜的发展源于三个基本因素：需要，想象力和不断的理解。
