1604年8月21日，伽利略把曆史上第二架按照科學原理製造出來的望遠鏡公開展出了。
向伽利略購買望遠鏡的訂貨單蜂擁而至，使他應接不暇。伽利略卻不計任何報酬，將他精製的望遠鏡呈獻給了大公爵，表示對他的尊敬和感激。公爵下令聘任伽利略為帕多瓦大學的終身教授。
佛羅倫薩的大公科西摩死後，他的兒子科西摩二世繼了位。作為伽利略的學生，他就請伽利略當他的宮廷數學教授——這正是這位著名科學家由於虛榮而渴望已久的職位，伽利略終於如願以償。
伽利略的悲劇的起因是他的著述《星宿的信使》這本劃時代的天文學著作的出版。伽利略一直堅持著自己對科學的追求。白天他研究望遠鏡的改進方法，晚上對著天空觀察天象。
1609年冬季開始之時，伽利略製成了一架可以將物體放大1000倍的望遠鏡。1616年1月7日的夜裏，他發現了木星有四顆衛星。為了表示自己的對大公爵的敬意和早日得到杜斯幹宮廷教授的席位，伽利略把他新發現的四顆衛星命名為“梅迪西斯星”。並寫了一本書記述他用望遠鏡發現的種種現象。1610年伽利略的《星際使者》(《星際的信使》)在威尼斯出版。
伽利略改進的望遠鏡，伴隨著伽利略通過望遠鏡所發現的新天象，傳遍了歐洲大陸。《星際的信使》成了當時最暢銷的一本書，伽利略繼續他的實驗觀察，用事實真相揭示陳舊觀點的錯誤。1610年7月，杜斯幹大公爵科西摩二世任命伽利略為宮廷數學與哲學教授，並兼任比薩大學教授。通過繼續觀察天象，伽利略推測金星是在太陽和地球之間的軌道上圍繞太陽運動。這就證實了哥白尼的預言：太陽是太陽係的中心，地球和別的行星都圍繞它運行。伽利略終於如願以償地為哥白尼的太陽中心說尋找到了實際證據。
1610年冬，受羅馬天主教學院數學教授克拉維斯的邀請的伽利略到羅馬訪問。他受到了權貴們的熱情款待。
1611年6月回國後，伽利略始終堅持對天象的觀察。他用他改進的望遠鏡觀察太陽，發現有大小形狀都不相同的暗黑的斑點，並且這些太陽的黑斑點是運動著的。伽利略不是第一個發現黑子的天文學家，當他關於太陽黑子的報告被刊登且廣泛傳播的時候，那些反對仇視伽利略的人指責伽利略剽竊別人的發現。
1616年伽利略受到教會的正式警告：不許他用語言或文字維護哥白尼學說。同時哥白尼的《天體運動論》也列為禁書。
格臘西教士寫了一本《薩爾西秤量伽利略以吉杜西名義新近發表的理論和天文和哲學的天平》，辱罵中傷伽利略的發現或發明是剽竊。3年來惟恐觸怒教會而未握管寫過一個字的伽利略難以容忍被人冤誣而不予置辨。他寫了一本答複格臘西教士和申辯冤屈的書《分析者》。
為了不違背1616年教會法庭對他的警告，他將醞釀已久的一本書寫成討論托勒密和哥白尼兩種宇宙觀的談話，命名為《關於兩個世界體係的對話集》，伽利略整整花了5年功夫才完成這本《對話集》。1632年2月《對話集》開始在佛羅倫薩印刷發行，並引起了強烈的反響。8月間，羅馬的一道命令忽然來到：《對話集》必須馬上停止發行，因為這本書使教徒們懷疑托勒密體係的絕對正確性。伽利略的敵人處心積慮地想陷害這位離經叛道的“妖人”。當時的羅馬宗教統治集團禁止任何新思想的傳播。1632年10月，羅馬教會的法庭發出傳票，傳伽利略到羅馬宗教裁判所受審。年已69歲的伽利略得知後病倒了。1633年2月，這位疲憊不堪，重病在身的天文學家終於被人押赴羅馬受審。在菲德蘭大公爵的幫助下，70歲的伽利略才得以幸免監禁、枷鎖和苦刑。
在阿切特裏獄中，伽利略花了3年功夫，整理了他一生所做的有關力學的實驗，寫了一本《關於兩個新科學的對話集》，又被稱為《運動的法則》。這本書是力學基本原則的總結，奠定了近代物理學的基礎。1637年伽利略秘密地將他的手稿偷運到荷蘭出版。1638年，當《運動的法則》送到他手裏時，他將他心血凝成的結晶送到唇邊吻了幾下，流出了歡樂幸福的眼淚。1642年1月8日臨終時，他懷抱這本書，感到莫大的快慰。
伽利略開辟的實驗科學的道路改變了人們的思想方法，引導人們進入現代科學。法國科學家魯薩爾說：“在科學領域裏我們都是伽利略的學生”！這種評價實不為過。