Optický systém HST je dvouzrcadlový reflektor typu Ritchey-Chrétien Cassegrain:

• Primární zrcadlo: Průměr $D = 2,40\text{ m}$, konkávní hyperboloid.
• Sekundární zrcadlo: Průměr $0,30\text{ m}$, konvexní hyperboloid.
• Efektivní ohnisková vzdálenost: $f = 57,60\text{ m}$ ($f/24$), zorné pole průměru $18'$.

Design Ritchey-Chrétien je teoreticky zcela prost třetího řádu sférické aberace i komy v celém zorném poli. Při výrobě primárního zrcadla ve společnosti Perkin-Elmer však došlo k nesprávnému sestavení reflexního nulového korektoru (reflective null corrector – RNC), kdy byla distanční čočka posunuta o $1,3\text{ mm}$ v důsledku špatně odečteného interferenčního proužku na kalibrační tyči.

Výsledkem bylo, že okraj zrcadla byl odbroušen příliš naplocho: chyba profilu vlnoplochy byla popsána Zernikeovým polynomem sférické aberace $Z_4^0$:

Chyba způsobila, že pouze $\sim 15,$ světelného toku z bodového zdroje dopadalo do centrálního difrakčního Airyho disku (místo projektovaných $70,$), zatímco zbývajících $85,$ světla vytvořilo rozsáhlé difuzní halo o poloměru přes $1''$.

V servisní misi STS-61 (prosinec 1993) byl instalován korekční modul COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), který nahradil vysokorychlostní fotometr HSP. COSTAR zavedl do optických drah původních přístrojů (FOC, FOS, GHRS) soustavu malých korekčních asférických zrcátek přesně kompenzujících aberaci primáru.

Všechny následně vyvinuté přístroje již měly korekční optiku integrovanou přímo ve svých interních optických svazcích:

1. WFPC2 (1993–2009): Kamera s interní optickou korekcí sférické aberace, známá z fotografií Hubble Deep Field.
2. ACS (Advanced Camera for Surveys, 2002): Širokoúhlá optická a UV kamera s vysokou kvantovou účinností.
3. WFC3 (Wide Field Camera 3, 2009–současnost): Dvousložková kamera s UVIS kanálem (dva CCD detektory $2048 \times 4096$, pásmo $200 - 1000\text{ nm}$) a IR kanálem (HgCdTe matice $1024 \times 1024$, pásmo $800 - 1700\text{ nm}$).
4. COS (Cosmic Origins Spectrograph, 2009–současnost): Vysoce citlivý spektrograf pro vzdálené ultrafialové pásmo FUV ($115 - 145\text{ nm}$) a NUV ($170 - 320\text{ nm}$).

HST obíhá na nízké oběžné dráze (LEO) ve výšce $\approx 535 - 540\text{ km}$ se sklonem $i = 28,47^\circ$. Orbitální rychlost činí $v \approx 7,59\text{ km/s}$ a perioda $P \approx 95,4\text{ minuty}$.

Absence atmosféry vyžaduje extrémní stabilitu pointace (Pointing Control System – PCS):

• Snímače jemného navádění (Fine Guidance Sensors – FGS): tři interferometrické senzory využívající Koestersovy hranoly ke sledování referenčních naváděcích hvězd v katalogu GSC.
• Silové setrvačníky (Reaction Wheels): čtyři setrvačníky zajišťující natáčení teleskopu bez spotřeby paliva.
• Magnetické cívky (Magnetic Torquers): pro vybíjení akumulovaného úhlového momentu interakcí se zemským geomagnetickým polem.

Výsledná stabilita pointace dosahuje neuvěřitelných 0,007 úhlové vteřiny (7 mas) po dobu 24hodinové expozice, což odpovídá schopnosti udržet laserový paprsek zamířený na minci ve vzdálenosti 500 kilometrů.