牛顿对于天文学的观测十分渴望，而且这种观测是必须要用望远镜的，牛顿只能去改进伽利略和开普勒型的望远镜。
牛顿在经过多次研制非球面的透镜都不成功后，才决定用球面反射镜作为望远镜主镜。
他把25厘米直径的金属磨制成一个凹面反射镜，并在主镜的焦点前放了一个与主镜成45度角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜后以90度角反射出镜筒后到达目镜。
所有的巨型望远镜大多属于反射望远镜，牛顿望远镜为反射望远镜的发展辅平了道路。
牛顿反射望远镜采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜平面的对角反射镜，再次改变方向进入目镜焦平面。
目镜为便于观察，被安置靠近望远镜镜筒顶部的侧方。
牛顿反射望远镜用平面镜替换昂贵笨重的透镜收集和聚焦光线，从而使您的每一分钱提供更加多的光线会集的力量。
牛顿反射望远镜系统使您能拥有焦距长达1000而仍然相对地紧凑和便携的望远镜。
因为主镜被暴露在空气和尘土中，牛顿反射器望远镜要求更多维护与保养。
然而，这个小缺点不阻碍这个类型望远镜的大众化，对于那些想要一台价格经济，但仍然可以解决观测微弱，遥远的目标的用户来说，牛顿反射望远镜是一个理想的选择。
由于光学系统的原理，牛顿望远镜的成像是一个倒像，倒像并不影响天文观测，因此牛顿反射望远镜是天文学使用的最佳选择。
通过正像镜等附加镜头，可以将图像校正过来，但会降低成像质量。
牛顿望远镜的光学设计结合了施密特摄星仪和牛顿式反射望远镜的元素。
这个系统将牛顿式反射望远镜的抛物面镜换成球面镜，因而产生了球面像差。
但就像施密特-卡塞格林望远镜一样，使用施密特修正板予以修正。