Nell'ottobre del 1608, l'artefice olandese Hans Lipperhey costruì il primo rudimentale cannocchiale. Galileo ne vide alcuni esemplari a Venezia nel 1609 e subito si sforzò di aumentarne la capacità di ingrandimento. Il cannocchiale galileiano consiste di un tubo nel quale sono inserite due lenti: una obiettiva piano-convessa e una oculare piano-concava. I migliori esemplari costruiti da Galileo superavano la ventina di ingrandimenti. Essi presentavano tuttavia seri problemi di risoluzione, in conseguenza della forte aberrazione sferica e cromatica, e visualizzavano un campo molto limitato: ad esempio, il cannocchiale di Galileo poteva inquadrare solo una porzione del corpo lunare. Il cannocchiale fu impiegato da Galileo anche come strumento di raffigurazione per disegnare le apparenze superficiali della Luna e le macchie solari, oltre che come dispositivo di misura per calcolare, mediante il micrometro, le distanze angolari tra corpi celesti.

Intorno al 1630, fu introdotto il cannocchiale "astronomico" o "kepleriano": l'oculare concavo fu sostituito da una lente convessa che aumentava notevolmente il campo di osservazione, ma forniva un'immagine rovesciata. Dopo Galileo, Francesco Fontana, Evangelista Torricelli, Eustachio Divini, Giuseppe Campani costruirono strumenti via via più perfezionati. I tubi ottici divennero sempre più lunghi, mentre si riuscì a raddrizzare l'immagine aggiungendo due lenti all'oculare convesso.

James Gregory, nel 1663, e Isaac Newton, nel 1668, misero a punto il telescopio "a riflessione", nel quale l'obiettivo era sostituito da uno specchio, riuscendo così ad eliminare l'aberrazione cromatica.