갈릴레오가 제작한 최초의 망원경은 배율이 약 3배에 지나지 않았으나, 나중에 배율을 30배까지 올린 망원경을 제작하였다. 갈릴레오는 망원경이 천체관측에 있어 매우 유용한 도구가 됨을 깨닫고 망원경으로 천체를 관측한 최초의 사람이 되었다. 갈릴레오는 자신이 만든 망원경으로 천체를 관측하여 달표면에 크레이터가 있으며, 행성들은 별과는 달리 점상이 아니라 원반형이라는 것을 밝혀냈고, 흔히 갈릴레이 위성이라고 불리는 목성의 4대 위성-이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토- 등을 발견하였다.

갈릴레오가 발견한 천문학적 사실 중 가장 중요한 것은 바로 금성의 상변화이다. 금성의 각크기가 변한다는 것을 관측함으로써 금성이 지구를 중심으로 공전하는 것이 아니라 태양을 중심으로 공전하고 있다는 것을 증명하였으며, 따라서 코페르니쿠스의 지동설을 지지하는 강력한 증거를 제공하였다. 그러나 갈릴레이식 굴절 망원경은 초점 거리가 짧은 오목렌즈 제작의 어려움으로 배율에 한계가 있었으며, 시야도 좁고 색수차가 심하여 17세기 초반까지만 사용되었다. 오늘날에는 갈릴레이식 굴절 망원경은 오페라 글라스와 같은 작은 쌍안경에나 쓰일뿐 거의 사용되지 않고 있다.

이후 케플러가 설계했다는 천체 관측용 망원경이 만들어졌는데, 이 망원경은 갈릴레이식보다 진일보한 형태로 오늘날까지도 천체 관측용 굴절 망원경의 원형이 되고 있으며 굴절 망원경이라 함은 바로 케플러식 굴절 망원경을 말한다. 케플러식 굴절 망원경은 장초점의 볼록렌즈를 대물렌즈로 하고 단초점의 볼록렌즈를 초점면 뒤에 놓아 접안렌즈로 사용한 구조이다. 이러한 설계 방식은 상의 상하좌우가 뒤집힌 도립상을 보여주기 때문에 지상용으로는 부적당하지만 천체를 관측할 때는 별다른 문제가 없다