從1604年開始，伽利略改變了研究方向。那年冬天，在南部天空出現了一顆從未見過的亮星，一直到第二年的秋天才逐漸消失。這個不尋常的天文現象，使伽利略放下了物理學的研究，轉而去探求天文學的問題。1608年，荷蘭有一位眼鏡商人偶然發明了一種可以放大物體的眼鏡，這個消息被伽利略知道了，他立即研究了這種眼鏡的原理，並且進行了實驗，最後製作成功放大率為30倍的能夠實際應用的伽利略望遠鏡。伽利略發明的望遠鏡立即博得了科學界的讚譽，據說僅半年時間他就製作了100台。望遠鏡的發明是科學史上的一件大事，它把人對空間的觀察範圍大大擴展了，這對於探索和認識宇宙起了巨大的推動作用。
伽利略開始利用自製的望遠鏡觀察天體。他把這犀利的武器指向了廣闊的天空，從而揭開了天文學史上嶄新的一頁。伽利略首先把望遠鏡對準了皎潔的月亮，他從望遠鏡裏觀察到月亮表麵上起伏不平的狀態，有高山、有峽穀。他又把望遠鏡對準了使人們感興趣的銀河係，他發現銀河實際是由眾多的星體構成的。在伽利略以前，很少有人發現五大行星的周圍居然還有一些小星星在運轉。伽利略通過觀察木星，發現了木星的兩側有四個亮點，以後他又注意到這些亮點是圍繞著木星的小星星，這就是木星的四顆衛星。伽利略又進一步計算了它們的運行周期。伽利略對自己的發現非常高興，很快寫信告訴了德國天文學家開普勒，開普勒馬上給他回信，給予他熱情的支持。這在伽利略的一生中是難得的。過去人們認為天空中的星星是單個的天體，伽利略從望遠鏡中看到了星團，有的是幾十顆星星聚集在一起。伽利略把自己對星團的觀測結果畫成了星圖，這是科學史上第一批星團圖。伽利略還用望遠鏡觀察了太陽，發現了太陽上竟然有暗處，像黑斑，現代天文學稱之為“黑子”。伽利略從黑子的緩慢移動推斷出太陽在自轉，周期為25年。伽利略的觀測結果，證實了哥白尼學說的正確。1613年伽利略出版了《太陽的黑子》一書，這本書因為有利於哥白尼的學說，遭到教會的攻擊。伽利略的行為刺激了封建教會，他們對哥白尼學說的傳播感到非常恐慌，決定采取斷然措施對伽利略實行製裁。1616年，臭名昭著的宗教裁判所把伽利略傳到羅馬進行審訊，嚴厲警告他不許再宣傳哥白尼的學說。這件事對伽利略是個非常沉重的打擊，在他科學研究的道路上投下了陰影。