艾薩克·牛頓於1668年製造了第一架反射望遠鏡。他沒有使用透鏡來聚焦光線，而是使用了一面曲面鏡。這種設計解決了困擾折射望遠鏡的一個問題：色差。透鏡會以不同的程度折射不同顏色的光，從而在明亮物體周圍產生彩虹般的條紋。而曲面鏡則能均勻地反射所有波長的光，因此成像清晰。

反射式望遠鏡利用主鏡收集並聚焦光線。在牛頓式望遠鏡中，靠近頂部的小型平面鏡將光線反射到側面的目鏡。在卡塞格林式望遠鏡中，副鏡將光線反射回主鏡，並穿過主鏡上的小孔。其他類型的望遠鏡，例如里奇-克雷蒂安式和格里高利式，則根據不同的用途使用不同的鏡面排列方式。

反射鏡可以做得比透鏡大得多，因為反射鏡可以從背面支撐。這就是為什麼世界上最大的望遠鏡都是反射式望遠鏡。詹姆斯韋伯太空望遠鏡擁有一面6.5公尺的分割式主鏡。正在智利建造的極大望遠鏡將擁有一面39公尺的主鏡。這些儀器收集的光線遠遠超過任何透鏡。

牛頓的設計至今仍在使用，儘管現代望遠鏡要複雜得多。其原理相同：一面曲面鏡，一個焦點，以及宇宙的圖像。