1875年，伽利略一家從比薩搬到了佛羅倫薩。文森西奧把家遷回故鄉出於兩種原因，一是要實現對兒子曾經許下的諾言；二是他在佛羅倫薩從事的毛織品銷售生意行情看好，將家搬來，可使他有更多的精力投入到生意上去。
文森西奧真心希望伽利略能成為一名醫生，然而經過父子倆的幾次交談，他發現伽利略無意從醫，並且腦袋裏充滿著許多無用的胡思亂想，這樣下去，怎麼得了呢？
伽利略的行為表現很讓他的父親發愁。對這個聰明好學、不太聽話的兒子，應該先讓他認真讀書，讓有“知識”的老師對他進行嚴格教育和啟蒙，引導他對聖哲學識的尊敬，從而剔除他滿腦子的胡思亂想。
一家人在佛羅倫薩安頓好後，文森西奧把伽利略叫到跟前，很嚴肅地說：“伽利略，你已經11歲了，學到了不少知識，可惜太雜亂，沒有體係。在比薩小學，你學得很出色，就是愛胡思亂想，有些不務正業。現在，我和你母親把家搬到佛羅倫薩來，主要原因是為了你，我要把你送到以前曾說的那所瓦朗布羅薩修道院學校去學習，你到那裏必須好好用功，為將來進比薩大學作好準備，你不能再花費時間來畫畫，做玩具，或幹些胡亂猜疑的愚蠢事情。”
伽利略這次很爽快地答應了。由於父親介紹了這所學校的知名度，他已有些向往了。父親說那所學校的老師很有學問，或許能解答伽利略心裏的各種奇異的問題。一想到這些，伽利略心中激動不已。
幾天後，伽利略跟父親來到了距佛羅倫薩城不遠的瓦朗布羅薩修道院學校。
當時，意大利受天主教主宰，一切教育、科學都淪為神學的奴婢，許多學校都設在修道院裏，學校裏開設的課程主要以神學和哲學為主，其他輔助課程也都以神學為指導思想，越是在比較正規的學校，這種狀況就越嚴重，瓦朗布羅薩修道院學校就是一個這樣的典型。
學校所處的地理位置很不錯，十分幽靜，掩映在鬱蔥之中。校舍是那種有著高高屋塔的哥特式建築，校舍周圍是大塊平整的草坪，環抱著一排排的鬆樹和胡桃樹，空氣有種清香味，令人心曠神怡。
啊，這真是個好地方。伽利略對修道院學校的優雅清爽的自然環境很滿意。
父親為伽利略辦理完各項入學手續，又對他叮囑再三，就匆匆地離開了。
伽利略就這樣正式成為瓦朗布羅薩修道院學校的學生。他開始學習宗教神學和哲學。
這裏的老師看來很有“學問”，在課堂上，他們滔滔不絕地講授神的存在、本質和宗教教義，還有古希臘哲學家亞裏士多德的理論。
課堂的教學內容使伽利略感到有一種前所未有的新鮮感。因為這裏講授的知識是他在學前啟蒙和比薩小學時期沒有學到的。
他父親雖也曾經是個虔誠的天主教徒，但後來父親迷上了音樂和數學，又加之生活艱難，致使其對宗教的信仰大為減弱，甚至有時還會產生幾分懷疑，所以父親對伽利略進行學前啟蒙教育時，很少提及有關宗教方麵的知識，而注重從興趣、能力等方麵進行啟發和培養。伽利略以前就讀的比薩小學，側重於各類學科的常識性知識介紹，對宗教神學和哲學講授得很少。
麵對這些“新鮮”知識，伽利略不由得精神振奮，饑不擇食地學了起來。他學得很認真，很投入。他經常旁聽由學校老師和高年級學生組織的有關神學和哲學方麵問題的辯論會。討論問題之複雜，使他十分驚愕。辯論探討的內容他大多聽不懂，他感到自己掌握的知識實在貧乏，這，很令他羞愧。啊，這些老師和學生們的思辨水平達到了令人歎為觀止的高度，這真了不起，伽利略十分驚歎，不禁產生一股強勁的動力。
他潛心學習，花費了比其他同學多得多的時間埋頭苦讀，用心鑽研。
學校規定的起宿時間很嚴格，要求每一個學生必須遵守。如果有違紀者，就按校規來處罰他：每晚他人就寢後，違紀者要在單間的禁閉室的燭光下默誦校規或教義。
伽利略喜歡在晚上就寢前的這段較安靜的時間讀書。熄燈就寢的哨聲響後，渾然不覺的他仍在燭光下閱讀，於是他因違紀受到了處罰。後來，他接連受到這樣的處罰。學校校長感到很奇怪，就問宿舍的管理員怎麼回事。管理員一副無可奈何的樣子，搖著頭說：“不可思議，這個長著紅頭發名叫伽利略的學生真是不可思議，開始，我以為他不按時就寢看的書肯定是那些淫穢的小說或異端邪說的著作，到他跟前細看才知道他讀的是神學書，問他為何違紀，他卻一點不驚慌地說，他太喜歡看這些書了。這樣，我也就不便再批評他了，隻是按校規處理。據教過伽利略的教師講：他是一個非常用功、好思考的出色學生。”
校長是位虔誠和善的教徒，聽完管理員的情況介紹後，不禁笑著說：“既然他這麼用功，那就破例每晚讓他在熄燈後到禁閉室再讀兩個小時吧！當然，不能算他違犯校規。我真誠希望伽利略將來能成為神學的研究者。”
得到了校長的“破例”優待，伽利略心裏很高興，更加勤勉地學習，孜孜不倦地讀書，涉獵了許多有關神學和哲學的書籍。他的神學和哲學課程的成績總是優秀。校長和教師們都很喜歡這個聰明、刻苦、勤於思考和鑽研的學生。
此時的伽利略，越發感到宗教和哲學的思維的奇妙。他的手不再急著去創造製作那些能動的機械玩具，腦海裏原有的那些奇思妙想、“胡猜亂疑”也似乎一時間消失了。他現在一心一意地汲取修道院學校這些“博學”的先生們提供的宗教經典和聖哲亞裏士多德的哲學論著中的知識。
麵對著學校圖書館裏排列整齊的書架上數以千計的書籍，伽利略感到自己是那樣的渺小和無知，同時也在靈魂深處認識到宗教神學和思辨哲學的博大精深。
他像一隻勤奮的小蜜蜂，辛勞地在書海中采擷，渴望早日釀出知識的芳蜜。
最使伽利略羨慕的是瓦朗布羅薩修道院的修道士（其中許多人是學校的教師）做彌撒時的情景，修道士頭戴黑帽，身穿黑色的修道士長袍、潔白色的披肩。主持彌撒的修道院院長從一個年輕修士手中接過“聖盤”，伽利略看到裏麵盛的是麵餅和葡萄酒。院長用一種平穩威嚴的語氣說：“仁慈的天主啊，我們以虔誠的心來祭祀您！”說罷，將“聖盤”恭敬地擺在“天主”像前，爾後，他帶領身後的修士一起跪在地上，齊聲高唱讚美“天主”的聖歌。氣氛十分肅穆和莊重。
每次看完修士做彌撒回來，伽利略的心靈總被一種深沉而神聖的激情所感染，那是宗教感情在激勵著他。伽利略開始在思想上發生了變化。
伽利略手不釋卷，邊閱讀邊思考。他對宗教的就事論理方式很歎服，他對亞裏士多德很崇拜，他閱讀了這位聖哲的一些著作，認為亞裏士多德的哲學思想很深邃。亞裏士多德哲學觀認為，要了解為什麼世間萬物是人們所見到的這種形式，為什麼它們不會是別的形式，為什麼它們現在的這種形式就是最好的。耍弄懂這些基本問題，就必須探尋到事物的原因，把握自然界中所有事物背後的終極目的。亞裏士多德吸取前輩人的研究成果，以此為基礎，選用了四種基本元素：土、氣、水、火，還有與這四種有關的、兩兩相對的基本性質：熱與冷，幹和濕。亞裏士多德指出，四種元素各有自己的天然位置，其自然傾向是重者下落，輕者上浮。如果將它們移動，其自然傾向就迫使它們極力回到自己的天然位置。這樣，邏輯規則就得出了。再根據這些邏輯規則，人們就可以從所見的自然結果中推斷出原因。原因隻能依賴於推理，而沒有直接呈現於人們的感覺中。
伽利略反複咀嚼著亞裏士多德的關於自然哲學的這些論述，心裏似懂非懂，隻覺得這些論述很精深，閱讀時有種新穎的感受。
在神學和哲學的浩瀚的典籍論著中埋頭苦讀、探尋，伽利略感到其樂無窮，在書裏，他與一個個學識淵博的神學家和哲學家相識、結友，最後接受他們的“精辟”論斷。他欣慰地說：我是多麼幸運啊，生長在造紙術和印刷術發明之後。據大人說，過去的時代中，古人的教誨必須寫在卷軸上，隻有極少數人才能讀到和研究之。如今有這些好的條件，我一定要在幾年的學習時間裏，多讀書，讀盡學校圖書館庫存的書籍，這樣，隨著讀書數量的增多，我將來就可以獲得探知世上萬事萬物的真理。