Принципиальные изменения в конструкции геодезических приборов, включая нивелир, произошли после изобретения в 1609 г. зрительной трубы Галилео Галилеем (1564-1642) и добавления в 1611 г. Иоганном Кеплером (1571-1630) в поле зрения трубы сетки нитей, представляющую собой пересекающиеся горизонтальную и вертикальную нити. Первым, кто воспользовался достоинствами зрительной трубы с сеткой нитей при геодезических измерениях, считается Жан Пикар (1620-1682), который «снабдил прицельное устройство своего квадранта не открытыми диоптрами, а линзами и сеткой нитей».
Остановимся коротко на особенностях зрительной трубы с внешней фокусировкой. Геометрическая ось астрономической трубы или трубы Кеплера, проходящая через две точки — оптический центр объектива и перекрестие сетки нитей, является визирной осью. Такая конструкция позволяла, с одной стороны, однозначно зафиксировать визирную ось зрительной трубы относительно ее корпуса, а с другой — определять ее высотное положение по расположению горизонтальной линии сетки нитей на рейке, находящейся на значительном расстоянии от прибора (50 и более метров).
Точная дата создания первого нивелира со зрительной трубой для геометрического нивелирования (горизонтальным лучом) неизвестна. Можно предположить, что конструкции нивелиров со зрительной трубой появились вначале XIX вв. Так, первое применение нивелира со зрительной трубой для определения высот точек местности горизонтальным лучом визирования на больших территориях было осуществлено во Франции, в 1857-1864 гг., инженером Бурдалю.
В России, в 1871 г., Г.К. Бауэр (1796–1882), заведующий механическими мастерскими Пулковской обсерватории, изготовил оригинальный геодезический инструмент нивелир-теодолит. При нивелировании его зрительная труба вместе с алидадным кругом перекладывалась на 1800 как у нивелиров с перекладной трубой. В 1871–1872 гг. геодезисты Корпуса военных топографов — капитан Н.Я. Цингер и поручик М.А. Савицкий с помощью этого нивелира-теодолита выполняли точное геометрическое нивелирование вдоль Балтийской и Санкт-Петербургско-Варшавской железных дорог.
Следует отметить, что нивелиры также изготавливались в мастерских Военно-топографического отдела (ВТО) Главного штаба. В 1875 г. выпускался нивелир с перекладной трубой с увеличением 40 крат под маркой ВТО-I, сетка нитей которого состояла из одной вертикальной и трех горизонтальных нитей. По предложению военного геодезиста Д.Д. Гедеонова (1854–1908) с 1883 г. в этих мастерских стали изготавливать нивелиры с перекладной трубой и уровнем при трубе — ВТО-II.