Một kính thiên văn khúc xạ hoạt động bằng cách bẻ cong ánh sáng với các thấu kính của nó. Nó thu thập và hội tụ ánh sáng bằng cách sử dụng vật kính để tạo ảnh nhỏ của vật thể và sử dụng thấu kính thị kính để phóng đại hình ảnh.
Độ cong của thấu kính cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của kính thiên văn. Kích thước của hình ảnh mà ống kính tạo ra có liên quan trực tiếp đến tiêu cự của ống kính. Khi độ dài tiêu cự tăng lên, kích thước của hình ảnh cũng tăng lên. Đây là một trong những nhược điểm của kính thiên văn khúc xạ vì tiêu cự dài có nghĩa là kính thiên văn dài. Các nhược điểm khác của kính thiên văn khúc xạ bao gồm không có khả năng truyền tất cả ánh sáng vì một số ánh sáng bị mất khả năng hấp thụ hoặc phản xạ và khó chế tạo thấu kính lớn.
Galileo đã tạo ra kính thiên văn khúc xạ đầu tiên sử dụng thấu kính chính lồi và thấu kính thị kính lõm. Để cho phép kính thiên văn của mình tạo ra hình ảnh rõ nét nhất có thể, Galileo đã sử dụng toán học để tính toán khoảng cách giữa các thấu kính. Anh ta chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ của bầu trời bất cứ lúc nào và kính thiên văn tạo ra hình ảnh mờ do quang sai cầu. Chiếc kính thiên văn ban đầu này đã phóng đại các vật thể lên ba lần và những sáng tạo sau này của ông đã có thể phóng đại các vật thể lên đến 30 lần.
