伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。[5] 1609年，伽利略在知道荷兰人已有了望远镜后，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体，发现许多前所未知的天文现象。他发现所见恒星的数目随着望远镜倍率的增大而增加；银河是由无数单个的恒星组成的；月球表面有崎岖不平的现象（亲手绘制了第一幅月面图），金星的盈亏现象；木星有四个卫星（其实是众多木卫中的最大的四个，现称伽利略卫星）。他还发现太阳黑子，并且认为黑子是日面上的现象。由黑子在日面上的自转周期，他得出太阳的自转周期为28天（实际上是27.35天）。1637年在目力很差情况下，他还发现了月亮的周日和周月天平动。[3] 这些发现开辟了天文学的新时代。
伽利略第一个用望远镜观察到土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏现象、木星的卫星和金星的周相等现象，并从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。
这一系列天文发现轰动了当时的欧洲，伽利略在介绍他新发现的两本书《星际使者》（1610）和《关于太阳黑子的书信》（1613）中，都主张哥白尼的星族日心说。伽利略以观测
到的事实，推动了哥白尼学说的传播。当时的意大利仍处于教会的严酷统治之下，许多人不肯承认同《圣经》和亚里士多德著作相违背的新思想、新事物。1613年，哥白尼的《天体运行论》被宗教法庭列为禁书，伽利略也受到警告，要他放弃哥白尼学说。伽利略没有接受警告，继续写作，1632年他的《两大世界体系的对话》出版，激怒了教会。宗教法庭把伽利略传到法庭，并宣判他有罪，并责令他忏悔，放弃自己证明了的学说，禁止《对话》流传。1633年被判处终生监禁，指定居住于佛罗伦萨效区[3] 。他在生命的最后几年里仍努力研究。1634年写成一本力学著作——《关于两门新科学的谈话和数学证明》。