Constrastando com um telescópio comum, que produz imagens através da luz visível, um radiotelescópio "observa" as ondas de rádio emitidas por fontes de rádio, normalmente através de uma ou conjunto de antenas parabólicas de grandes dimensões.
O maior radiotelescópio é o RATAN-600 (Rússia) com 576 m de diâmetro da antena circular (descrição do RATAN-600).
No entanto, o mais conhecido (embora não sendo capaz de ser direccionado) é o Radiotelescópio de Arecibo, localizado em Arecibo, Porto Rico. Outro, também muito conhecido, é o Very Large Array (VLA), em Socorro, Novo México. O maior radiotelescópio na Europa tem uma antena de 100 metros de diâmetro, em Effelsberg, Alemanha, e também foi, durante 30 anos, o maior, com a possibilidade de ser direccionado, até à inauguração do Telescópio Green Bank em 2000. O diâmetro típico de uma antena de um radiotelescópio é de 25 metros, e dezenas de radiotelescópios de tamanho idêntico operam em rádio-observatórios em todos o mundo.
No Brasil, o principal radiotelescópio existente é o Rádio Observatório de Itapetinga, com uma grande antena de quase 14 metros de diâmetro - tamanho muito próximo ao da antena encontrada em Euzébio, no Ceará, um dos principais equipamentos que medem a Geodésia no mundo - que observa, principalmente, dados provenientes do Sol, além de outras fontes como galáxias e planetas. Opera entre as frequências de 22 e 48 GHz.
A área da Astronomia relacionada com as observações realizadas por estes radiotelescópios é designada de radioastronomia.
Muitos dos corpos celestes, como os pulsars ou galáxias activas (como os quasars), produzem radiação em rádiofrequência e são, portanto, os mais facilmente "observáveis" ou mesmo os únicos, na região rádio do espectro electromagnético. Examinando a frequência, potência e tempo das emissões rádio destes objectos, os astrónomos podem aumentar a sua percepção do Universo.
Os radiotelescópios são também, ocasionalmente, incluídos na procura de vida extraterrestre e no acompanhamento das sondas espaciais (ver Deep Space Network) e satélites.