望遠鏡把伽利略從力學實驗室中吸引出來，天文觀測使他成為了哥白尼的忠實信徒，他用從望遠鏡觀測中得到的新發現和新知識熱情地宣傳和捍衛哥白尼的日心說，即太陽是中心，地球圍著太陽轉，而不是教會宣傳的太陽圍著地球轉。因此跟教會發生了衝突。1633年，教會把年邁的伽利略召到羅馬進行審判。伽利略被判有罪，關進了監獄。
有了望遠鏡，伽利略就可以觀測天體了。於是，人類第一次看見了月亮的表麵，看見了木星周圍有四個小衛星圍繞它旋轉，看到了銀河係許許多多的恒星。盡管當時的那些神學家咒罵望遠鏡是“魔鬼的發明”，伽利略也因宣傳日心說而受到教會的迫害，但他的成就開辟了科學的道路，動搖了宗教的統治地位，他本人則成了近代實驗科學的奠基人。
伽利略的望遠鏡問世不久後的1611年，德國的天文學家開普勒也開始研究望遠鏡，他在《屈光學》裏提出了另一種天文望遠鏡，這種望遠鏡由兩個凸透鏡組成，與伽利略的望遠鏡不同，比伽利略望遠鏡視野寬闊。但開普勒沒有製造他所介紹的望遠鏡。沙伊納於1613年—1617年間首次製作出了這種望遠鏡，他還遵照開普勒的建議製造了有第三個凸透鏡的望遠鏡，把二個凸透鏡做的望遠鏡的倒像變成了正像。沙伊納做了8台望遠鏡，一台一台地雲觀察太陽，無論哪一台都能看到相同形狀的太陽黑子。因此，他打消了不少人認為 黑子可能是透鏡上的塵埃引起的錯覺，證明了黑子確實是觀察到的真實存在。在觀察太陽時沙伊納裝上特殊遮光玻璃，伽利略則沒有加此保護裝置，結果傷了眼睛，最後幾乎失明。
伽利略用這架望遠鏡指向天空，得到了一係列的重要發現，天文學從此進入了望遠鏡時代。
此後，望遠鏡又得到了不斷的改近。1611年，開普勒創造了帶兩個凸透鏡的天文望遠鏡。1640年加士可因在望遠鏡裏加上了一個細細的十字線以提高測量的準確性。
荷蘭的惠更斯為了提高望遠鏡的精度在1665年做了一台筒長近6米的望遠鏡，來探查土星的光環，後來又做了一台將近41米長的望遠鏡。
使用物鏡和目鏡的望遠鏡稱為折射望遠鏡，即使加長鏡筒，精密加工透鏡，也不能消除色象差，1668年英國科學家反射式望遠鏡，斛決了色象差的問題。第一台反望遠鏡非常小，望遠鏡內的反射鏡口徑隻有2.5厘米，但是已經能清楚地看到木星的衛星、金星的盈虧等。1672年牛頓做了一台更大的反射望遠鏡，送給了英國皇家學會，至今還保存在皇家學會的圖書館裏。
當時，望遠鏡還存在一個很大的問題：要看得遠，就要不斷加大望遠鏡的口徑。但是口徑一大，看上去就出現各種顏色，這就是所謂色差。為了解決這個問題，隻好拉長焦點距離，這樣，當時的望遠鏡竟有長達數十米的。以後，又有人發明了消色透鏡，即把多片不同材料的透鏡重疊起來使用，就可以消除色差了。