真正的變焦鏡頭，也稱為齊焦鏡頭，是在焦距變化時保持對焦的鏡頭。大多數消費級變焦鏡頭無法保持完美對焦，但仍采用齊焦設計。大多數標榜為具有光學變焦功能的照相手機實際上使用了幾個不同但固定焦距的相機，并結合數碼變焦形成了一個混合系統。

可變焦距的便利是以復雜性為代價的——以及在圖像質量、重量、尺寸、光圈、自動對焦性能和成本方面的一些妥協。例如，所有變焦鏡頭在其xxx光圈處，尤其是在其焦距范圍的極端處，都會遭受至少輕微（如果不是相當大）的圖像分辨率損失。當以大格式或高分辨率顯示時，這種效果在圖像的角落很明顯。變焦鏡頭提供的焦距范圍越大，這些妥協就必須變得越夸張。

變焦鏡頭通常用最長焦距與最短焦距的比率來描述。例如，焦距范圍從100mm到400mm的變焦鏡頭可以被描述為4:1或“4×”變焦。術語超變焦或超變焦用于描述具有非常大焦距因子的攝影變焦鏡頭，通常在單反相機鏡頭中超過5倍，最高可達19倍，在業余數碼相機中為22倍。在專業電視攝像機鏡頭中，這個比率可以高達300倍。截至2009年，超過約3倍的攝影變焦鏡頭通常無法產生與定焦鏡頭相媲美的成像質量。恒定的快速光圈變焦（通常為f/2.8或f/2.0)通常限于此縮放范圍。以低分辨率錄制運動圖像時，質量下降不太明顯，這就是專業視頻和電視鏡頭能夠具有高變焦比的原因。高變焦比電視鏡頭很復雜，有幾十個光學元件，重量通常超過25公斤（55磅）。數碼攝影還可以在相機處理器和后期制作軟件中提供補償光學缺陷的算法。

有些攝影變焦鏡頭是長焦鏡頭，焦距比普通鏡頭長，有些是廣角鏡頭（比普通鏡頭更寬），有些則涵蓋了從廣角到長焦的范圍。后一組變焦鏡頭中的鏡頭，有時稱為“普通”變焦鏡頭，已取代固定焦距鏡頭，成為許多當代相機上流行的單鏡頭選擇。這些鏡片上的標記通常是W和T用于“廣角”和“長焦”。指定長焦是因為負發散鏡頭提供的較長焦距比整個鏡頭組件（負發散鏡頭充當“長焦組”）長。

一些數碼相機允許裁剪和放大捕獲的圖像，以模擬更長焦距變焦鏡頭（更窄視角）的效果。這通常被稱為數碼變焦，并且產生的圖像光學分辨率低于光學變焦。使用計算機上的數字圖像處理軟件對數字圖像進行裁剪并放大裁剪區域，可以獲得完全相同的效果。許多數碼相機兩者都有，首先使用光學變焦，然后使用數碼變焦。

變焦和超變焦鏡頭通常用于靜止、視頻、電影攝影機、投影儀、一些雙筒望遠鏡、顯微鏡、望遠鏡、望遠鏡瞄準器和其他光學儀器。此外，變焦鏡頭的無焦部分可用作變倍望遠鏡，制成可調擴束鏡。例如，這可以用來改變激光束的大小，從而可以改變光束的輻照度。

變焦鏡頭有許多可能的設計，最復雜的設計有超過30個獨立的鏡頭元件和多個移動部件。然而，大多數都遵循相同的基本設計。通常，它們由許多單獨的鏡片組成，這些鏡片可以是固定的，也可以沿著鏡片主體軸向滑動。當變焦鏡頭的放大倍率發生變化時，有必要補償焦平面的任何移動以保持聚焦圖像清晰。這種補償可以通過機械方式（在鏡頭放大倍率發生變化時移動整個鏡頭組件）或光學方式（在鏡頭變焦時將焦平面的位置盡可能地變化）來完成。

變焦鏡頭的簡單方案將組件分為兩部分：一個類似于標準的固定焦距攝影鏡頭的聚焦鏡頭，前面是一個無焦變焦系統，一個固定和可移動鏡頭元件的排列，不聚焦光，但會改變穿過它的光束的大小，從而改變透鏡系統的整體放大倍率。

無焦變焦系統中鏡頭的移動

在這個簡單的光學補償變焦鏡頭中，無焦系統由兩個等焦距的正（會聚）鏡頭（鏡頭L1和L3）和它們之間的負（發散）鏡頭(L2)組成，具有xxx焦距不到正透鏡的一半。透鏡L3是固定的，但透鏡L1和L2可以以特定的非線性關系軸向移動。這種移動通常由鏡頭外殼中的齒輪和凸輪的復雜布置來執行，盡管一些現代變焦鏡頭使用計算機控制的伺服系統來執行這種定位。

當負透鏡L2從透鏡的前部移動到透鏡后部時，透鏡L1以拋物線弧線向前然后向后移動。這樣做時，系統的整體角度放大率會發生變化，從而改變整個變焦鏡頭的有效焦距。在所示的三個點中的每一個，三鏡頭系統都是無焦的（既不發散也不會聚光線），因此不會改變鏡頭焦平面的位置。在這些點之間，系統并非完全無焦，但焦平面位置的變化可能足夠小（在精心設計的鏡頭中約為±0.01毫米），不會對圖像的清晰度產生顯著變化。

變焦鏡頭設計中的一個重要問題是在鏡頭的整個工作范圍內校正光學像差（例如色差，尤其是場曲）；這在變焦鏡頭中比固定鏡頭要困難得多，后者只需要校正一個焦距的像差。這個問題是變焦鏡頭發展緩慢的一個主要原因，早期的設計遠不如現代固定鏡頭，并且只能用于狹窄的f值范圍。現代光學設計技術使變焦鏡頭的構造成為可能，并且在廣泛可變的焦距和光圈上具有良好的像差校正。

電影攝影和視頻應用中使用的鏡頭需要在焦距改變時保持對焦，而對于靜態攝影和用作投影鏡頭的變焦鏡頭則沒有這樣的要求。由于很難構建一個不改變焦點且具有相同圖像質量的鏡頭，因此后者的應用通常使用在焦距改變后需要重新聚焦的鏡頭（因此嚴格來說是變焦鏡頭，而不是變焦鏡頭）。由于大多數現代相機都是自動對焦的，這不是問題。

具有大變焦比的變焦鏡頭的設計者通常會犧牲一個或多個像差以獲得更高的圖像清晰度。例如，更大程度的桶形和枕形失真在從廣角到遠攝的焦距范圍為10倍或以上的鏡頭中，比在固定焦距鏡頭或具有較低比率的變焦鏡頭中可接受的焦距范圍內的鏡頭可以容忍。盡管現代設計方法一直在不斷減少這個問題，但在這些大倍率鏡頭中，大于1%的桶形畸變很常見。另一個付出的代價是，在鏡頭的極端長焦設置下，當鏡頭聚焦在更近的物體上時，有效焦距會發生顯著變化。當鏡頭從無限遠聚焦到中等特寫時，表觀焦距可以減少一半以上。在較小程度上，這種效應也出現在固定焦距鏡頭中，這些鏡頭移動內部鏡頭元件，而不是整個鏡頭，以影響放大倍率的變化。

許多所謂的“變焦”鏡頭，特別是在固定鏡頭相機的情況下，實際上是變焦鏡頭，這讓鏡頭設計者在光學設計權衡（焦距范圍、xxx光圈、尺寸、重量、成本）方面具有更大的靈活性與真正的齊焦變焦相比，它是實用的，因為自動對焦，并且因為相機處理器可以移動鏡頭以補償焦平面位置的變化，同時改變放大倍率（“變焦”），使得操作本質上與真正的齊焦變焦。