Τα πρώτα τηλεσκόπια ήταν διοπτρικά. Χρησιμοποίησαν φακούς για να συλλέγουν και να εστιάζουν το φως. Ο Γαλιλαίος κατασκεύασε το δικό του το 1609 και το έστρεψε προς τον ουρανό, ανακαλύπτοντας τα φεγγάρια του Δία, τις φάσεις της Αφροδίτης και τα βουνά στη Σελήνη. Οι παρατηρήσεις του βοήθησαν να ανατραπεί το γεωκεντρικό μοντέλο και να διαπιστωθεί ότι η Γη περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο.

Ένα διαθλαστικό τηλεσκόπιο χρησιμοποιεί έναν κυρτό αντικειμενικό φακό για να συλλέγει φως και να το εστιάζει. Ένα προσοφθάλμιο μεγεθύνει την εικόνα. Όσο μεγαλύτερη είναι η εστιακή απόσταση του αντικειμενικού φακού, τόσο μεγαλύτερη είναι η μεγέθυνση. Τα πρώτα διοπτρικά ήταν πολύ μεγάλα, μερικές φορές πάνω από 40 μέτρα, για να μειωθεί η χρωματική εκτροπή. Αυτό τα καθιστούσε δυσκίνητα.

Η χρωματική εκτροπή παραμένει η κύρια αδυναμία των διοπτρικών. Διαφορετικά χρώματα φωτός εστιάζουν σε διαφορετικά σημεία, παράγοντας χρωματικές παρυφές. Οι αχρωματικοί φακοί, που εφευρέθηκαν τον 18ο αιώνα, χρησιμοποιούν δύο τύπους γυαλιού για να μειώσουν το φαινόμενο. Οι αποχρωματικοί φακοί το μειώνουν περαιτέρω, αλλά είναι ακριβοί.

Τα διοπτρικά φίλτρα εξακολουθούν να είναι δημοφιλή στην ερασιτεχνική αστρονομία. Είναι απλά, ανθεκτικά και απαιτούν ελάχιστη συντήρηση. Διαπρέπουν στην παρατήρηση της Σελήνης και των πλανητών, όπου η έντονη αντίθεση έχει μεγαλύτερη σημασία από τη δύναμη συλλογής φωτός. Αλλά για αντικείμενα του βαθέος ουρανού, τα ανακλαστήρες είναι συνήθως η καλύτερη επιλογή.