C'est un des premiers physiciens expérimental qui ne base pas ses théories uniquement sur de l'intuition et de la géométrie, mais sur des lois physiques. Il fait en quelque sorte naître l'astrophysique. Grâce aux lois de Kepler, il prouve l'inconsistance de la conception de Ptolémée et la validité du système de Copernic. C'est l'un des premiers a utiliser une longue vue : il en construit d'une qualité nettement supérieure aux longues vues existantes à l'époque. Il peut ainsi observer de nombreuses étoiles, des nébuleuses, la Voie lactée, la Lune et bien sûr les planètes. Il déduit de ses observations que la Voie Lactée est constituée d'un grand nombre d'étoiles, que la Lune est recouverte de cratères et que les planètes n'émettent pas de lumières, qu'elles ne font que réfléchir la lumière du soleil. Il observe aussi les satellites de Jupiter, ce qui prouve que des corps tournent autour d'autre chose que la Terre. Il sera condamné par l'inquisition pour défendre ses idées. Il devra donc les renier publiquement. On lui prête la célèbre phrase : "Et pourtant, elle tourne !"

Ces découvertes sont d'abord niées en expliquant qu'il devait s'agir uniquement d'illusions d'optiques produites par sa longue vue.

Galilée fait un travail exceptionnel : il découvre les phases de Vénus d'abord puis celles d'autres planètes, ce qui prouve toutes ses théories. Il observe la variation du diamètre angulaire des planètes. Il observe les taches solaires et le mouvement de rotation du Soleil. Il étudie Saturne (que l'on connaît maintenant par ses anneaux) en déduit qu'il doit s'agir de trois corps proches les uns des autres.