La lunette astronomique utilise le principe de réfraction de la lumière pour former une image agrandie de l'objet observé. L'objectif, situé à l'extrémité de la lunette, collecte la lumière provenant de l'objet et la focalise sur un point précis, appelé foyer. Ensuite, l'oculaire, placé à l'arrière de l'objectif, agit comme une loupe pour agrandir l'image formée au foyer de l'objectif.
Il existe deux types de lunettes astronomiques : les lunettes à objectif convergent et les lunettes à objectif divergent. Dans les lunettes à objectif convergent, l'objectif est une lentille convergente, c'est-à-dire qu'elle fait converger les rayons lumineux vers un point. Dans les lunettes à objectif divergent, l'objectif est une lentille divergente, qui écarte les rayons lumineux.
Sur ce schéma, on peut voir l'objectif au premier plan, qui collecte la lumière et forme un premier foyer. La lumière passe ensuite par l'oculaire, qui agit comme une loupe et agrandit l'image formée au foyer de l'objectif. L'observateur peut alors observer l'image agrandie à travers l'oculaire.
La formule suivante permet de calculer le grossissement d'une lunette astronomique :
Le grossissement d'une lunette astronomique dépend donc des longueurs focales de l'objectif et de l'oculaire. Plus la longueur focale de l'oculaire est grande par rapport à celle de l'objectif, plus le grossissement sera élevé.