W małych teleskopach, podobnie jak w lornetkach i mikroskopach, stosuje się soczewki, które załamują światło i powiększają obraz. Duże soczewki są ciężkie, dlatego w największych teleskopach astronomicznych światło jest zbierane i ogniskowane za pomocą wielkiego, zakrzywionego lustra, czyli reflektora miskowego.

Stosowano w tym celu pojedyncze, oszlifowane szklane tafle. Ogromne zwierciadła uzyskiwano też wirując stopione szkło w trakcie krzepnięcia. Natomiast w nowoczesnych teleskopach, takich jak Keck, cienkie i lekkie zwierciadło jest mozaiką z połączonych szcześciokątnych lustrzanych płytek.

Każda płytka jest umocowana w sposób pozwalający obracać ją w kierunku wybranej części nieba, a jednocześnie uniemożliwiający jakiekolwiek ruchy boczne. Zamontowane w obudowie silniki i czujniki zapewniają współpracę pomiędzy częściami układu z dokładnością do milionowych części milimetra. Kształt zwierciadła jest stale kontrolowany przez komputer, który koryguje zniekształcenia spowodowane ciepłem, siłami grawitacji i ruchem oraz kompensuje błędy powstałe w wyniku zaburzeń atmosferycznych.

Niezbędny jest również system zwierciadeł wtórnych rozmieszczonych pod takim kątem, by światło było przekazywane na detektor. W nim budowany jest szczegółowy obraz, niekiedy komputerowo podkolorowany dla zwiększenia czytelności. Im większy teleskop, tym lepszy. Duża średnica pozwala zebrać więcej światła i uzyskać lepszą rozdzielczość, a zarazem zajrzeć dalej w głąb wszechświata.

Obraz można też budować z pomiarów natężeń i częstotliwości fal radiowych. Służące do tego radioteleskopy działają na tej samej zasadzie, co teleskopy optyczne, ale w dużo większej skali. Aby można było zlokalizować miejsce, z którego pochodzi sygnał, miska reflektora musi mieć średnicę większą niż długość badanej fali. Fale radiowe docierające do powierzchni Ziemi mogą mieć długość równą dziesiątkom metrów i dlatego radioteleskopy muszą mieć anteny o średnicy przynajmniej 25 m.

Do największych urządzeń tego typu należą dwa bliźniacze, oddalone od siebie o 85 metrów teleskopy Keck o średnicy 9,8 m. w osobnych kopułach. Znajdują się one na Manua Kea na Hawajach na wysokości 4145 m n.p.m. Obserwatorium zostało uruchomione w 1992 roku, a cztery lata później do użytku został oddany Keck 2.

Od 1992 roku trwała budowa Very Large Teleskopie (VLT). Teleskop został umieszczony na wysokości 2635 m n.p.m. w Parana Observatory na pustyni Atakamara w północnej części Chile. Wykorzystano tam cztery współdziałające jako interferometr optyczny teleskopy. Każdy ma średnicę 8,2 m. Budowę zakończono w 2005 roku.

Large Binokular Teleskope (LBT), budowany od 2005 roku, składa się z dwóch zwierciadeł o średnicy 11,9 m. Odległość pomiędzy środkami zwierciadeł wynosi 14.4 m. Umieszczono je na wspólnym montażu, który znajduje się na 3190 m w Mount Graham International Observatory w Arizonie. 12 października 2005 roku teleskop zarejestrował pierwsze obrazy nieba zwane „pierwszym światłem”.