在帕多瓦大學任教期間，伽利略有一次去威尼斯旅遊，結識了美麗而單純的姑娘瑪麗娜，他被瑪麗娜的開朗性格和輕鬆愉快的談吐所吸引，墜入愛河，並很快結了婚，兩個人生活得很美滿。
更多的時間，伽利略還在進行他的一個個科學實驗。他製作了一個比例儀，可以用來放大地圖，既精確又簡便。現在繪圖用的函數尺，就是在當年伽利略設計的基礎上，稍加改進後製成的。
1600年來到了，伽利略在帕多瓦大學的任期即將結束，校方鑒於他的出色教學業績和驚人的實驗成果，決定繼續聘請他，並增加了他的薪金。而伽利略的心中卻十分思念著故鄉佛羅倫薩和家中的親人們。畢竟，那裏是他的根啊，於是伽利略給佛羅倫薩的費迪南德寫信，希望將來能給柯西莫王子當數學課和科學課的家庭教師（實際上就是以前裏奇擔任的宮廷教師）。
這時，一個令人吃驚的消息從羅馬傳來，偉大的科學家、哲學家布魯諾因為支持哥白尼的“天體運動”學說，被羅馬宗教裁判所秘密地處以火刑！伽利略的心中非常悲憤，他非常佩服布魯諾為宣傳真理而寧死不屈的精神。雖然，側重實驗的伽利略對哥白尼的理論還不能完全接受和承認，但早在1595年，他偶然發現借助哥白尼假設的地球的兩種圓運動可以從力學上解釋潮汐，從而使他對哥白尼的新天文學說發生了濃厚的興趣，並基本承認了哥白尼理論上的科學性，並決心運用實驗來進一步證實，正想與哥白尼的支持者布魯諾會晤商討一些問題。然而，殘忍的宗教勢力奪去了正值英年的布魯諾。
從布魯諾的悲慘遭遇中，伽利略感悟到，新天文學說，若要得到世人的公認，僅憑四處宣講和演說是不行的，還必須要有確鑿無誤的實驗依據！
一種沉重的、神聖的責任感湧上了這位年已36歲的科學鬥士的心頭。研究新天文學說成為他實驗中的重要課題。
1605年，斐迪南德公爵來信邀請伽利略給他15歲的王子柯西莫作短暫的暑期功課補習。柯西莫嚴謹聰慧，對伽利略很尊重，兩人成為很知心的朋友。
漸漸地，伽利略萌生了將這些年做實驗而獲得結果寫成書的願望，以使更多的人能夠了解和認識自己的科學新發現。可是，他覺得自己是被帕多瓦大學聘來做教授的，主要的任務就是講課，拿了報酬，就必須履行自己的職責，不可能用全部時間來進行實驗和寫書。
要是不在大學教書就好了，伽利略心想。他一邊教學，一邊等待著。
1609年2月，斐迪南德公爵去世了，柯西莫成為佛羅倫薩的統治者。伽利略認為時機已到，他給柯西莫寫信，請求擔任宮廷數學家。
正在伽利略等待委任消息時，德國著名的年輕天文學家開普勒寫出一本書《新天文學》，伽利略想法弄到了一本，興趣十足地閱讀了它。
開普勒在書中根據觀察，大膽地為哥白尼的學說辯護。伽利略看完開普勒的這本書後，對哥白尼的假設很有同感，立即給他寫信表達了自己的看法，如果世界是前進的，科學知識也必然向前發展。
開普勒很快就給伽利略回信，在信中寫道：“模型已經灌鑄，書已寫成，現代的人去讀也好，後裔子孫去讀也好，我都不會介意。即使100年後才有人讀這本書，也算不了什麼。真理終究有一天會得到世人的承認。”
“啊，真是個勇敢的年輕人！”伽利略讀完開普勒的信發出由衷的讚歎，他感到彼此之間有一種心靈上的默契。他們都有很大的勇氣來抗拒當時權勢浩大的宗教學者的迫害和威脅。
開普勒的執著感染了伽利略，他開始對哥白尼的理論進行實驗論證。他又開始像童年時那樣，仰望夜晚星空，尋覓著，思考著。
不久，伽利略聽朋友說，荷蘭的眼鏡商將兩片凸凹鏡片疊在一起，製成了一個能放大3倍的放大筒。
伽利略用心琢磨著，很快便明白了其中的道理，他精選材料，悉心製作，一個能望遠30倍的放大筒作成了，伽利略將其稱為望遠鏡。
1609年8月下旬的一天，晴朗的天空沒有一絲雲彩，伽利略拿著望遠鏡站在威尼斯的鍾樓上向海上眺望。他的身邊圍了一群好奇的人們。“天邊正有幾隻船向我們的城市駛來。”伽利略突然說道。人們睜大眼睛也往海麵上觀看，結果什麼也沒有發現。“伽利略，你有千裏眼嗎，我們怎麼看不見呢？”人們很納悶。“請你們用這個望遠鏡看一看吧。”伽利略微笑著將望遠鏡交給身邊的人們傳遞觀看。“啊，果真如此，伽利略，你這個魔鏡真神奇！”人們交口稱譽。
威尼斯公爵知道了這件事，就讓伽利略將望遠鏡帶進宮中。公爵操作一番後，真是愛不釋手。伽利略索性將它獻給了公爵。驚喜萬分的公爵立即下令聘請伽利略為帕多瓦大學的終身教授，年薪5000鎊！
伽利略製作望遠鏡並不是出於好奇，而是想通過望遠鏡觀測天空，得到更多的觀察數據，論證哥白尼的學說的科學性。
1610年初的一個晴朗夜晚，月光皎潔，伽利略用自己又作成的一個放大30倍的望遠鏡觀察月亮。他驚奇地發現月亮的上麵竟然山巒起伏，溝壑縱橫。爾後，他又把望遠鏡轉到了木星，發現木星也同地球一樣，有月亮似的衛星，而且有四個之多。他強壓內心的興奮，把望遠鏡轉向了銀河，啊，這哪裏是河呀，而是數也數不清的星座！
伽利略欣喜無比，禁不住大聲喊著：“哥白尼，偉大！布魯諾，偉大！群星在動，地球在動，而太陽也在動，天上原來並沒有托勒密所說的什麼‘天’啊！”
伽利略在帕多瓦大學的校園裏呐喊著，宣傳著他的驚人發現。
他對星空的偉大發現頓時轟動了威尼斯城。
他的發現，推翻了當時教會學者們關於一切天體都是地球仆人，隻有在地球周圍，才有天體環繞的謬論，為哥白尼的“日心說”提供了有力的證據。
隨後，伽利略把自己的一係列發現寫成了一本名為《星球的使者》的書，在威尼斯出版。這本書在歐洲各國廣為流傳，給他帶來了極高的聲譽，人們稱他是“天空的哥倫布”；讚揚說：“哥倫布發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙。”
伽利略的盛名驚動了佛羅倫薩的柯西莫公爵。他立即寫信邀請伽利略返回故鄉佛羅倫薩，並授予伽利略“宮廷哲學家”和“宮廷首席數學家”的頭銜。
伽利略於是離開了任教18年之久的帕多瓦大學，在這裏，他度過了自己科學生涯的黃金階段，為其後來的科學研究奠定了堅實的基礎。這裏，自由的學術空氣為他實現了璀璨的人生飛躍。
1610年，伽利略回到了佛羅倫薩，在柯西莫公爵的宮中任職，繼續從事科學研究工作。
1613年，伽利略根據自己觀察的結果，發表了《論太陽黑子的信劄》。在這篇文章中，他鮮明地指出太陽和地球都在旋轉，地球不僅圍繞太陽旋轉，而且還在繞自己的軸線自轉。這個觀點進一步論證了哥白尼“日心說”的正確和托勒密“地心說”的錯誤。
這個觀點無疑是哥白尼理論的“翻版”，從而使尊崇聖哲亞裏士多德的保守派學者和教會統治者極為恐慌和惱怒。羅馬教廷多次來信“請”伽利略去答辯。1615年底，伽利略來到羅馬。柯西莫公爵多方保護伽利略，並寫信給他在羅馬教廷的有權威的朋友，請他們保護伽利略。