17世纪中叶，有人提出使用反射望远镜来观察天象，但这只是纯理论方面的探讨，并没有付诸实际行动。因为17世纪的折射望远镜的图像外会产生五彩缤纷的色环，破坏了天体的真面目，使科学家们伤透了脑筋。为了克服这一缺陷，折射镜的镜筒变得越来越长，使用起来很不方便。直到半个世纪以后，英国科学家伊萨克·牛顿才解决了这个问题。
牛顿想到，光的透射特性决定了色差的产生是无法避免的，由于色差是各色光通过透镜后发生分解所引起的，因此，他考虑使光线不进入镜片内部，只让光在凹面镜表面反射后聚焦成像的办法来加以解决。
第一个尝试造反射望远镜的是詹姆斯·格雷戈里。1663年，他提出利用两面反射镜（一面主镜，一面副镜）的方案，即用一个抛物面做主镜，用一个椭球面做副镜，以一举消除球差和色差的缺陷。但没有一个光学家能够精确地磨制出这样的镜面，因而这种望远镜没有制造出来。尽管如此，专家们还是认为他的方案在理论上并没有错。
1666年，牛顿尝试用非球形的镜面来制造反射望远镜，同样未能成功。后来，牛顿研究克服色差缺陷的另一种办法。牛顿认为，白光通过棱镜后会分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光，而7种颜色的光直接反射是不会产生色差的。因此，他开始研制靠反射成像的反射望远镜。
1668年，牛顿亲手制作了第一架反射望远镜，镜筒长约15厘米，虽然体形上比那些瘦而长的折射望远镜小巧得多，且图像清晰，但是只可以放大40倍。1672年，牛顿又制造了第二架反射望远镜，主镜口径为5厘米，性能很好。他把它赠送给英国皇家学会，至今仍被保存着。
反射望远镜以短小的镜身、高质量的成像，赢得了天文学家的青睐，很快得到广泛的普及。在反射望远镜的发展过程中，特别要提及的是英国的天文学家赫歇耳（1738—1822）。他原是一位音乐家，业余天文爱好者。1774年，他磨制出口径15厘米的反射镜，可放大40倍。1781年3月，他用这架望远镜发现了天王星，成为天文学上的一次重大发现，因而一举成名，从此成了一位专业天文学家。赫歇耳于1789年又制成了一架口径122厘米、长12.2米的反射望远镜。这是当时世界上最大的望远镜，并保持了半个世纪的冠军地位。
后来，英国的罗斯伯爵制成了口径为180厘米的巨型反射望远镜。为了安装牢固，只好把镜筒放在两堵墙之间。1908年底，威尔逊山天文台安装了一台口径为153厘米的反射望远镜，其口径虽然稍小，但镀银的表面能反射65%的入射光，所以效果要比罗斯制作的强得多。1915年，亚当斯（1876—1956）用它拍摄到了天狼伴星的光谱，证明它是一颗白矮星。此后，海耳又制造了一架口径超过200厘米的反射望远镜。
1918年，一架镜面直径为254厘米的反射望远镜诞生了。它用了最新的镀铝技术，反射率达82%。整个望远镜重90吨，但操作方便，性能良好，成为当时世界上最大的反射望远镜，安装在威尔逊山天文台。这台望远镜的诞生过程相当曲折：洛杉矶一位商人叫胡克，他想把他自己的名字与世界最大的反射望远镜联系起来，愿意出资相助。他一次又一次地增加款额，努力使镜面加大。镜面的玻璃坯是法国一家玻璃厂提供的，由于镜面太大，抛光十分困难，同时在此期间爆发了第一次世界大战，诸多因素使这架反射望远镜的制作时间一再延长。为了纪念胡克的功劳，这架反射望远镜被命名为“胡克望远镜”。
1929年，海耳从石油大王洛克菲勒那里获得了一笔基金，开始制作口径为508厘米的反射望远镜。在漫长的加工过程中，共用掉30多吨磨料，成型后镜面总重14.5吨，镜筒重100吨，镜体可转动部分重量为530吨。由于第二次世界大战延误了制作工期，到1948年6月3日，人们才为这架巨型反射望远镜举行了揭幕典礼，然而海耳却不幸于10年前与世长辞了。这架海耳望远镜能观察到大约3×1022千米外太空的类星体。为了纪念海耳的功绩，在帕洛玛天文台门厅的中央，端放着一尊海耳的半身塑像，铜牌上写着：“这架5.08米的望远镜以乔治·埃勒里·海耳命名，他的远见卓识和亲自领导使之变成了现实。”
1969年12月，威尔逊山天文台和帕洛玛山天文台合并，改名为海耳天文台。
用一块固定的偏转45°的平面镜作副镜，让它把物镜光轴折转90°，使光线从镜筒壁上的小孔内射出，再用目镜加以放大后进行观察，这就是所谓“牛顿式光学系统”。由于反射望远镜完全消除了色差，很适合于天文观测。直到今天，许多天文爱好者自制望远镜仍然喜欢采用这种形式。
目前，世界上最大的单镜面反射望远镜口径为600厘米，安装在高加索俄罗斯科学院专门天体物理天文台里。由于质量存在一些问题，这台望远镜自1976年起用以来，取得的成果并不显著。
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