艾萨克·牛顿于1668年制造了第一架反射望远镜。他没有使用透镜来聚焦光线，而是使用了一面曲面镜。这种设计解决了困扰折射望远镜的一个问题：色差。透镜会以不同的程度折射不同颜色的光，从而在明亮物体周围产生彩虹般的条纹。而曲面镜则能均匀地反射所有波长的光，因此成像清晰。

反射式望远镜利用主镜收集并聚焦光线。在牛顿式望远镜中，靠近顶部的小型平面镜将光线反射到侧面的目镜。在卡塞格林式望远镜中，副镜将光线反射回主镜，并穿过主镜上的小孔。其他类型的望远镜，例如里奇-克雷蒂安式和格里高利式，则根据不同的用途使用不同的镜面排列方式。

反射镜可以做得比透镜大得多，因为反射镜可以从背面支撑。这就是为什么世界上最大的望远镜都是反射式望远镜。詹姆斯·韦伯太空望远镜拥有一面6.5米的分割式主镜。正在智利建造的极大望远镜将拥有一面39米的主镜。这些仪器收集的光线远远超过任何透镜。

牛顿的设计至今仍在使用，尽管现代望远镜要复杂得多。其原理相同：一面曲面镜，一个焦点，以及宇宙的图像。