在天文学方面，伽利略的贡献是极其巨大的。在早年他曾给学生们开设天文学课程，讲解托勒密的行星理论。但是，他最根本的宇宙观核心是维护和坚持、发展哥白尼学说。

伽利略的日心说观点完全建立在对天文进行长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上。1608年，荷兰眼镜工匠李普塞制成了世界上第一架望远镜。伽利略得知后，立即着手从事望远镜的设计和制作，经过多次实验，终于在1609年到1610年间设计并制造了放大33倍的天文望远镜。这一望远镜是用凸透镜作为物镜，以凹透镜作为目镜构成的。利用自己制作的望远镜，伽利略进行了长期、大量的天体观测。

伽利略首先对月球进行了观测，他发现了月球表面有深谷、高山和平原。他甚至根据测出的影子确定了月球上山脉的高度。伽利略将望远镜指向天空的任何部分都可以看到无数的星体；肉眼看来是一条连续的光带的银河，原来也是由数不清的暗淡的星星组成的。

伽利略还观察到了金星象月亮一样发生周相的变化，而且在不同位相时其视大小也互不相同。这表明，正如哥白尼所说的一样，金星是围绕太阳运转的．他还发现，太阳也不是光洁无瑕的，它的表面上有黑子。从黑子在太阳表面上有规律的运动，他断定太阳以二十七天左右的周期进行转动。伽利略观测到了土星的光环。当时他认为这些光环是由无数的卫星所组成的。伽利略自己认为他最重要的天文观测成果是土星卫星的发现。1610年1月17日，伽利略观测到木星有三颗卫星。经过连续几周的跟踪观察，他发现了木星有四颗卫星，即木卫1～木卫四。

早在青年时期，伽利略便怀疑亚里士多德的学说和托勒密的地心说。他的上述发现更坚定了相信哥白尼日心说的信心。1610年伽利略出版了《星际使者》一书，宣传他的新发现。《星际使者》的出版轰动一时，使伽利略获得了极高的荣誉。由于不愿在大学里讲授陈旧的教条，摆脱教学活动对他的研究工作的妨碍以及渴望重回故里，他写信给托斯坎纳公国的大公爵，希望到他的宫廷里服务。

1610年7月，他被邀请到佛罗伦萨任宫廷数学家和哲学家。他的一些朋友认为这是不明智的决定，因为佛罗伦萨的教会势力很强，对伽利略的研究工作是不利的，后来的事态发展果然证明了这一点。

1611年伽利略又去了罗马，邀请很多人观看望远镜，宣传哥白尼学说。1613年他又出版了《关于太阳黑子的通讯》。伽利略的实验活动为哥白尼的日心说提供了有力的证据。由于伽利略的观点触犯了教会的教规，1616年2月，他受到警告，并且不准他在讲课和著作中再宣传日心说。伽利略坚持科学真理，不顾教会的警告，又用5年时间，于1632年写出了近代科学史上具有重大意义的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书，并于1632年2月出版。被激怒了的教会，对伽利略进行了严厉审判，并判以终身监禁。从此，伽利略失去了继续研究天文学的条件，转而致力于对力学的研究。