Pisa, Padova, Firenze Galilei pályájának fő állomáshelyei. Első nevezetes tudományos tettét, a teleszkóp összeállítását Hollandiából kapott hírek hatására vitte véghez. 1610-ben jelent meg az általa végzett megfigyelésekről szóló Sidereus Nuntius (Csillagok követe) című könyv, amelyben a Holdat, a Vénuszt, a Jupitert és a Napot írta le olyan új módon, amely nem volt összeegyeztethető a Hold alatti–Hold fölötti szférák megkülönböztetésével, ellenben alátámasztotta a heliocentrikus elméletet. Ettől kezdve voltak konfliktusai a katolikus egyházzal, mert nem hipotetikusan akarta értelmezni megfigyeléseit és heliocentrikus keretelméletüket. 1626-ban jelent meg az Il saggiatore (Aranymérleg) című írás, amelyben Galilei platonizmusának bizonyságaként arról olvasunk, hogy a matematika nem csupán esetleges módszertani segédeszköze a természettudományoknak: a valóság lényegi struktúrái matematikai viszonyok, a matematikai természettudomány tételei pedig ezeket a struktúrákat adják vissza. A természet olyan könyv, mely a matematika nyelvén íródott, matematikai ismeretek nélkül nem olvasható. A matematikai természettudomány tételei viszont objektíve érvényesek, nem pusztán hipotetikusak. 1632-ben jelent meg a Párbeszédek a két legnagyobb világrendszerről […] című mű, melynek dialógusai a nap középpontú rendszer igazolását kísérlik meg. Ennek hatására a pápai hatalom érvényt próbált szerezni egy már 1616-ban kiadott, de addig csak félig-meddig betartatott határozatnak, mely elítélte a nap középpontú rendszert. Galileit rövid időre letartóztatták, s visszakozásra kényszerítették. Ettől kezdve a mechanika körébe tartozó problémák megoldására fordította idejét, és a Matematikai érvelések […] című írásban egyebek mellett – egyfajta atomisztikus anyagelmélet kontextusában – levezeti a szabadesés négyzetes törvényét is. A tehetetlenség elve is többféleképp alkalmazást nyer műveiben, anélkül, hogy világosan megfogalmazta volna.