Les premiers télescopes étaient des lunettes astronomiques. Elles utilisaient des lentilles pour collecter et focaliser la lumière. Galilée construisit la sienne en 1609 et la pointa vers le ciel, découvrant ainsi les lunes de Jupiter, les phases de Vénus et les montagnes lunaires. Ses observations contribuèrent à renverser le modèle géocentrique et à établir que la Terre orbite autour du Soleil.

Un télescope réfracteur utilise une lentille d'objectif convexe pour collecter la lumière et la focaliser. Un oculaire grossit l'image. Plus la distance focale de l'objectif est longue, plus le grossissement est important. Les premiers réfracteurs étaient très longs, parfois plus de 40 mètres, afin de réduire l'aberration chromatique. Cela les rendait encombrants.

L'aberration chromatique demeure le principal défaut des lunettes astronomiques. Les différentes couleurs de la lumière convergent en des points différents, produisant des franges colorées. Les lentilles achromatiques, inventées au XVIIIe siècle, utilisent deux types de verre pour atténuer cet effet. Les lentilles apochromatiques le réduisent davantage, mais elles sont onéreuses.

Les lunettes astronomiques restent populaires auprès des astronomes amateurs. Simples, robustes et nécessitant peu d'entretien, elles excellent dans l'observation de la Lune et des planètes, où un contraste net prime sur la puissance lumineuse. En revanche, pour l'observation du ciel profond, les télescopes à miroir sont généralement préférables.