他發(fā)現(xiàn)所見(jiàn)恒星的數(shù)目隨著望遠(yuǎn)鏡倍率的增大而增加；銀河是由無(wú)數(shù)單個(gè)的恒星組成的；月球表面有崎嶇不平的現(xiàn)象（親手繪制了第一幅月面圖），金星的盈虧現(xiàn)象；木星有四個(gè)衛(wèi)星（其實(shí)是眾多木衛(wèi)中的最大的四個(gè)，現(xiàn)稱(chēng)伽利略衛(wèi)星）。

他還發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子，并且認(rèn)為黑子是日面上的現(xiàn)象。由黑子在日面上的自轉(zhuǎn)周期，他得出太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)周期為28天（實(shí)際上是27.35天）。1637年在目力很差情況下，他還發(fā)現(xiàn)了月亮的周日和周月天平動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了天文學(xué)的新時(shí)代。

伽利略第一個(gè)用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察到土星光環(huán)、太陽(yáng)黑子、月球山嶺、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、木星的衛(wèi)星和金星的周相等現(xiàn)象，并從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對(duì)性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆斷，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，反駁了托勒密的地心體系，有力地支持了哥白尼的日心學(xué)說(shuō)。

這一系列天文發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)的歐洲，伽利略在介紹他新發(fā)現(xiàn)的兩本書(shū)《星際使者》（1610）和《關(guān)于太陽(yáng)黑子的書(shū)信》（1613）中，都主張哥白尼的日心說(shuō)。伽利略以觀(guān)測(cè)到的事實(shí)，推動(dòng)了哥白尼學(xué)說(shuō)的傳播。

當(dāng)時(shí)的意大利仍處于教會(huì)的嚴(yán)酷統(tǒng)治之下，許多人不肯承認(rèn)同《圣經(jīng)》和亞里士多德著作相違背的新思想、新事物。

1613年，哥白尼的《天體運(yùn)行論》被宗教法庭列為禁書(shū)，伽利略也受到警告，要他放棄哥白尼學(xué)說(shuō)。伽利略沒(méi)有接受警告，繼續(xù)寫(xiě)作，1632年他的《兩大世界體系的對(duì)話(huà)》出版，激怒了教會(huì)。

宗教法庭把伽利略傳到法庭，并宣判他有罪，并責(zé)令他懺悔，放棄自己證明了的學(xué)說(shuō)，禁止《對(duì)話(huà)》流傳。