他發(fā)現(xiàn)所見恒星的數(shù)目隨著望遠鏡倍率的增大而增加；銀河是由無數(shù)單個的恒星組成的；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；木星有四個衛(wèi)星（其實是眾多木衛(wèi)中的最大的四個，現(xiàn)稱伽利略衛(wèi)星）。

他還發(fā)現(xiàn)太陽黑子，并且認為黑子是日面上的現(xiàn)象。由黑子在日面上的自轉周期，他得出太陽的自轉周期為28天（實際上是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。這些發(fā)現(xiàn)開辟了天文學的新時代。

伽利略第一個用望遠鏡觀察到土星光環(huán)、太陽黑子、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，并從實驗中總結出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學的許多臆斷，奠定了經(jīng)典力學的基礎，反駁了托勒密的地心體系，有力地支持了哥白尼的日心學說。

這一系列天文發(fā)現(xiàn)轟動了當時的歐洲，伽利略在介紹他新發(fā)現(xiàn)的兩本書《星際使者》（1610）和《關于太陽黑子的書信》（1613）中，都主張哥白尼的日心說。伽利略以觀測到的事實，推動了哥白尼學說的傳播。

當時的意大利仍處于教會的嚴酷統(tǒng)治之下，許多人不肯承認同《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《天體運行論》被宗教法庭列為禁書，伽利略也受到警告，要他放棄哥白尼學說。伽利略沒有接受警告，繼續(xù)寫作，1632年他的《兩大世界體系的對話》出版，激怒了教會。

宗教法庭把伽利略傳到法庭，并宣判他有罪，并責令他懺悔，放棄自己證明了的學說，禁止《對話》流傳。