Met behulp van een kijker (zie ook telescoop) ontdekte hij de vier manen van Jupiter (de zogenaamde galileaanse satellieten) en de schijngestalten van Venus. Hoewel hij al vroeg overtuigd was van het wereldbeeld van Copernicus (het heliocentrische wereldbeeld), sprak Galilei zich voor het eerst in 1610 daarover uit in zijn boek Sidereus Nuncius, waarin hij bovengenoemde ontdekkingen beschreef. Dit gaf aanleiding tot de veroordeling van de heliocentrische theorie door de inquisitie in 1616 en Copernicus’ De revolutionibus orbium coelestium werd op de lijst van verboden boeken (Index) geplaatst.

Ondanks het verbod publiceerde Galilei in 1632 zijn Dialogo, waarin hij zijn nieuwe leer in gespreksvorm verdedigde. Het resultaat was een proces, waardoor Galilei in 1633 de leer moest afzweren. Hij werd in zijn bewegingsvrijheid beperkt en mocht Arcetri, bij Florence, waar hij ging wonen, niet verlaten.