Những chiếc kính thiên văn đầu tiên là kính khúc xạ. Chúng sử dụng thấu kính để thu thập và hội tụ ánh sáng. Galileo đã tự chế tạo chiếc kính thiên văn của riêng mình vào năm 1609 và hướng nó lên bầu trời, phát hiện ra các vệ tinh của sao Mộc, các pha của sao Kim và các dãy núi trên Mặt Trăng. Những quan sát của ông đã giúp lật đổ mô hình địa tâm và thiết lập rằng Trái Đất quay quanh Mặt Trời.

Kính viễn vọng khúc xạ sử dụng một thấu kính vật kính lồi để thu ánh sáng và hội tụ nó. Thị kính phóng đại hình ảnh. Độ dài tiêu cự của vật kính càng lớn thì độ phóng đại càng cao. Các kính viễn vọng khúc xạ đời đầu rất dài, đôi khi hơn 40 mét, để giảm quang sai màu. Điều đó khiến chúng trở nên cồng kềnh.

Quang sai màu vẫn là nhược điểm chính của kính thiên văn khúc xạ. Các màu sắc ánh sáng khác nhau hội tụ tại các điểm khác nhau, tạo ra các viền màu. Các thấu kính tiêu sắc, được phát minh vào thế kỷ 18, sử dụng hai loại thủy tinh để giảm thiểu hiệu ứng này. Các thấu kính dị sắc giảm thiểu hiệu ứng này hơn nữa, nhưng chúng rất đắt tiền.

Kính thiên văn khúc xạ vẫn phổ biến trong giới thiên văn nghiệp dư. Chúng đơn giản, bền chắc và cần ít bảo dưỡng. Chúng rất tốt trong việc quan sát Mặt Trăng và các hành tinh, nơi độ tương phản sắc nét quan trọng hơn khả năng thu sáng. Nhưng đối với các vật thể trong không gian sâu thẳm, kính thiên văn phản xạ thường là lựa chọn tốt hơn.