望遠鏡的工作原理主要基於光線通過透鏡的折射或光線被凹鏡反射，使得光線進入小孔並會聚成像，然後經過一個放大目鏡，人眼便能觀察到這個像。具體來說，望遠鏡由兩塊透鏡或者透鏡與反射鏡組成。
對於折射式望遠鏡，光線通過前面的凸透鏡（物鏡）後在後面形成一個倒立的、縮小的實像，這個實像再由後面的目鏡放大，形成一個放大的虛像，這樣遠處的物體就能以一個較大的形象呈現在人眼前。
對於反射式望遠鏡，光線被反射鏡（通常是凹面鏡）反射到成像平面上，形成物體的像。
望遠鏡的主要作用有兩個：一是放大遠處物體的張角，使得用肉眼無法看清的細節能夠被觀察到；二是將物鏡收集到的比人眼瞳孔直徑大得多的光束送入人眼，使得觀測者能夠看到原來無法看到的暗弱物體。
望遠鏡的發展經歷了多個階段，從簡單的透鏡系統到複雜的反射式系統，其功能和觀測能力也在不斷提升。常見的望遠鏡類型包括伽利略望遠鏡、克卜勒望遠鏡和牛頓式望遠鏡等。