伽利略望远镜的基本构造是物镜为会聚透镜，目镜为发散透镜，其工作原理是光线通过物镜折射形成实像，这个实像落在目镜的后方焦点上，目镜再对这个虚像进行放大，形成正立的虚像。放大率由物镜焦距与目镜焦距的比例决定。它的主要优点在于镜筒短小，可以成正像，但视野相对较小。
为了增加观测效果，可以采用“观剧镜”设计，即并列两个放大倍数不高的伽利略望远镜，通过调节它们的清晰度，适合观看表演等场合。伽利略的发明在人类探索宇宙的历史中具有里程碑意义，其望远镜由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）组成，其结构简单，能直接呈现正像。
令人惊奇的是，伽利略本人甚至可以通过低成本的方式制作望远镜。只需从文化用品店购买直径较大、焦距合适的镜片作为物镜，以及直径和焦距较小的透镜作为目镜，将它们用胶水固定在硬纸筒内，再加上一个简单的支架，就可以制成能观察到月亮山川、银河星星和木星卫星的望远镜。但需注意，观测太阳时要格外谨慎，避免高温伤害眼睛。
然而，伽利略望远镜的一个显著缺点是它在明亮物体周围会产生“假色”。这是由于“白光”实际上是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等所有色光混合而成，折射时不同颜色的光折射程度不同，导致聚焦不一致，从而形成模糊的图像。
伽利略望远镜（Galileo telescope）是指物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。