กล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงเป็นกล้องที่ถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรกโดยฮานส์ ช่างทำแว่นคนหนึ่ง ซึ่งต่อมาค้นพบว่าหากนำเลนส์มาวางเรียงกันให้ได้ระยะที่ถูกต้องเลนส์สามารถขยายภาพที่อยู่ไกลๆได้ใกล้ขึ้น และ 1 ปีต่อมา กาลิเลโอ กาลิเลอี ก็ได้ นำมาสำรวจท้องฟ้าเป็นครั้งแรกโดยตัวกล้องจะมีเลนส์ 2 ตัวขึ้นไปคือ เลนส์วัตถุ และเลนส์ตา โดยเลนส์วัตถุจะทำหน้าที่รับภาพจากวัตถุ แล้วหักเหแสงไปยังเลนส์ใกล้ตา ซึ่งเลนส์ใกล้ตาจะทำหน้าที่ขยายภาพจากเลนส์วัตถุอีกทีหนึ่ง โดยลักษณะการวางเลนส์จะใช้เลนส์วัตถุที่มี ความยาวโฟกัส ยาว และเลนส์ใกล้ตาที่มีความยาวโฟกัสสั้น โดยในการวางเลนส์ จะวางเลนส์วัตถุ (ความยาวโฟกัสยาว) ไว้ด้านหน้า และเลนส์ใกล้ตา (ความยาวโฟกัสสั้น) ไว้ด้านหลัง โดยระยะห่างของเลนส์ 2 ตัวนี้คือ ความยาวโฟกัสเลนส์วัตถุ + ความยาวโฟกัสเลนส์ตา เป็นต้น

สำหรับกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงของกาลิเลโอนั้น เลนส์วัตถุจะเป็นเลนส์นูน และเลนส์ตาจะเป็นจากเลนส์เว้า ซึ่งข้อดีของการใช้ระบบเลนส์แบบนี้คือภาพที่ได้จะเป็นภาพหัวตั้งโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อื่นมาช่วย แต่ข้อเสียของการใช้เลนส์เว้าเป็นเลนส์ตาคือระบบกล้องจะมีมุมมองภาพที่แคบมาก ต่อมา โยฮันเนส เคปเลอร์ได้ใช้เลนส์นูนเป็นเลนส์ตาของกล้องโทรทรรศน์แทน ซึ่งทำให้ระบบกล้องโทรทรรศน์ให้ภาพกลับหัว และมีมุมมองภาพกว้างขึ้น ระบบเลนส์แบบนี้ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน