In 1638 schreef Galilei zijn hoofdwerk Discorsi. Hierin beschrijft hij op een nieuwe manier de grondslagen van de mechanica, onder andere val en worp. Belangrijke ontdekkingen van Galilei zijn verder het feit dat de slingertijd van een slinger onafhankelijk van de amplitude is (de slingertijd is niet afhankelijk van de grootte van de schommeling), de ontdekking van de structuur van het maanoppervlak en de zonnevlekken. Verder deed hij ontdekkingen op het gebied van de aërodynamica en ontwierp hij een primitieve thermometer.

Galilei was een empiricus die de wiskunde consequent toepaste op experimenteel te toetsen hypothesen. Hij toetste zijn stellingen met wiskundige berekeningen. Hij heeft veel invloed gehad op de ontwikkeling van de natuurwetenschappen, voornamelijk in de 19de eeuw.