Ghi chép đầu tiên về kính thiên văn đến từ Hà Lan vào năm 1608, trong một bằng sáng chế do nhà sản xuất kính mắt ở Middelburg, Hans Lippershey đệ trình lên Quốc hội Hà Lan vào ngày 2 tháng 10 năm 1608 cho kính mắt của ông “vì có thể nhìn mọi thứ ở xa như thể chúng đang ở gần”.

Vài tuần sau, một nhà sản xuất kính mắt người Hà Lan khác tên là Jacob Metius cũng nộp đơn xin cấp bằng sáng chế. Tuy nhiên Quốc hội Hà Lan đã không trao bằng sáng chế cho cả hai vì kiến thức về thiết bị này dường như đã được phổ biến từ trước đó, nhưng chính phủ Hà Lan đã trao cho Lippershey một hợp đồng về các bản sao thiết kế của ông.

Các kính thiên văn ban đầu của Hà Lan được cấu tạo bởi một thấu kính lồi và thấu kính lõm – những kính thiên văn được chế tạo theo cách này không làm đảo ngược hình ảnh, và ở những thiết kế ban đầu, nó chỉ có độ phóng đại là 3X mà thôi.

Ngay sau đó, kính viênc vọng được sản xuất hàng loạt ở Hà Lan với số lượng lớn và nó cũng nhanh chóng trở nên phổ biển ở khắp Châu Âu.

Và cũng từ chính những thiết kế ban đầu này, Galileo đã cải tiến và áp dụng nó vào thiên văn học. Năm 1611, Johannes Kepler mô tả cách tạo ra một kính thiên văn hữu ích hơn rất nhiều với một vật kính lồi và một thấu kính thị kính lồi. Đến năm 1655, các nhà thiên văn học như Christiaan Huygens đã chế tạo kính thiên văn Kepler mạnh hơn nhiều nhưng khó sử dụng với thị kính được ghép nối.

Isaac Newton được coi như người đầu tiên chế tạo ra kính viễn vọng phản xạ năm 1668 với thiết kế bao gồm một gương phẳng chéo nhỏ dùng để phản xạ ánh sáng đến thị kính gắn vào cạnh của kính. Năm 1672, Laurent Cassegrain đưa ra bản thiết kế kính phản xạ với một gương lồi nhỏ thứ cấp phản xạ ánh sáng qua lỗ trung tâm của gương chính.

Thấu kính achromatic, giúp giảm đáng kể quang sai màu trong vật kính và cho phép các kính thiên văn ngắn hơn và hoạt động tốt hơn, lần đầu tiên xuất hiện trên kính thiên văn năm 1733 do Chester Moore Hall chế tạo, nhưng ông không công bố nó. John Dollond biết đến phát minh của Hall và bắt đầu sản xuất kính thiên văn sử dụng thấu kính này với số lượng lớn, bắt đầu từ năm 1758.

Những phát triển quan trọng trong kính thiên văn phản xạ là việc John Hadley sản xuất những chiếc gương hình parabol lớn hơn vào năm 1721; quy trình tráng bạc gương kính do Léon Foucault đưa ra năm 1857; và việc áp dụng các lớp phủ nhôm rất bền trên gương phản xạ vào năm 1932.

Biến thể Ritchey-Chretien của gương phản xạ Cassegrain được phát minh vào khoảng năm 1910, nhưng không được chấp nhận rộng rãi cho đến sau năm 1950; nhiều kính thiên văn hiện đại bao gồm cả Kính viễn vọng Không gian Hubble sử dụng thiết kế này, mang lại trường quan sát rộng hơn so với kính viễn vọng Cassegrain cổ điển.

Kỷ nguyên của kính viễn vọng vô tuyến (cùng với thiên văn học vô tuyến) ra đời với khám phá tình cờ của Karl Guthe Jansky về nguồn vô tuyến thiên văn vào năm 1931. Nhiều loại kính thiên văn đã được phát triển trong thế kỷ 20 cho một loạt các bước sóng từ vô tuyến đến tia gamma. Sự phát triển của các đài quan sát không gian sau năm 1960 cho phép khả năng tiếp cận một số dải sóng không thể quan sát từ mặt đất, bao gồm tia X và dải hồng ngoại với bước sóng dài hơn.