·天文学家
在他停留帕多瓦的后期，他渐渐把更多时间花在天文方面。在一封写给开普勒（比他年轻7岁）的信中（1596年），他感谢开普勒的《神秘宇宙论》，他写道：
我很高兴在研究真理的过程中能得到像你这样伟大的盟友……我将非常愿意拜读你的作品……因为我多年来一直是哥白尼观点的支持者，也因为它向我揭示了很多自然现象的成因，那是一般为大众接受的学说所全然无法解释的。为反驳后者，我收集了很多证据，但是并未加以出版，因为我被哥白尼的命运吓阻了，他虽在少数人中间拥有了不朽的名声，却被无数人讥笑和责难（因为愚人的数目是很大的）。如果世上有更多像你这样的人，我就敢出版我的推想了。
1604年他在比萨的一篇演说中公开表示他对哥白尼的信仰。1609年他制成了第一架望远镜，而且在8月21日展示给威尼斯官员。他记述道：
很多贵族和元老，虽然年纪都相当大，还是不止一次登上威尼斯最高的教堂（圣马可教堂）的顶端来看船只……两个钟头前没有我的侦察镜，它们显得好远……因为我这个仪器能使50里外的东西看起来像只有5里远一般……元老院知道我在帕多瓦17年来服务的情形……下令聘我为终生教授。
伽利略把望远镜改良到能将物体放大1000倍。将此镜转向天空，他惊讶地发现一个新的星辰世界，比以往目录所列多出10倍。现在人们可以看见群星座，其中包含很多肉眼看不见的星星。昴宿星团有36颗星而不是7颗，猎户星座有80颗星而非37颗，银河看起来不再是模糊的一团，而是大大小小的星群。月亮表面不再是平滑的，而有着山与谷的刻痕，此外它未受太阳照耀那一半的模糊光辉为地球反射阳光的结果。1610年1月伽利略发现9个“月亮”中的4个，或者说是“卫星”，他写道：“这些新星围绕着另一个非常大的星球运转，就像水星和金星或其他已知的行星绕太阳运行一般。”7月他发现土星环，却误认为3颗星星。哥白尼的批评者争论说，金星若环绕太阳运转，便应像月亮一般显出盈亏——改变光辉和表面形状。他们坚持没有这种改变的征兆。但是那年12月，伽利略的望远镜显露了这种盈亏，他相信只有行星环绕太阳才可以解释这个现象。
说来难以置信，但是伽利略确曾在一封写给开普勒的信中描述帕多瓦教授们拒绝认可他的发现，甚至拒绝用他的望远镜看天空。伽利略对帕多瓦大学厌倦了，而且向往佛罗伦萨的更好的学术气氛（该城已由艺术转向科学）。伽利略便把土星的卫星称为西德拉·美第奇（Sidera Medicea），依照托斯卡纳公爵科西莫二世命名。1610年3月，他献给科西莫二世一篇拉丁论文《天文现状》（Sidereus nuncius），总结他的天文发现。他在5月写了一封信给公爵的秘书，充满1482年达·芬奇写给米兰公爵信中的热情和骄傲。他列出自己正在研究的主题，和他希望写那几本书来阐述其结果，而且想知道他的主人能否给他一份聘约，使他能花较少的时间在教书上，而有更多的时间从事研究工作。科西莫在6月任命他为“比萨大学第一数学家，大公爵的第一数学家与哲学家”，年薪1000金币，没有教书的义务。9月中伽利略迁往佛罗伦萨，未带情妇同往。
他坚持要有哲学家和数学家的头衔，因为他希望同时影响哲学和科学。他和拉莫斯、布鲁诺、泰莱西奥等人所感觉的以及培根在同一个时代所主张的一样，认为哲学（据他了解哲学乃是对自然各方面的研究和诠释）已在亚里士多德膝上睡着了，而且现在已到了逃避那40本希腊巨册，用较宽的范畴和开放的心灵和眼睛去观察世界的时候了。也许他由于太过自信而未曾思考。“为了向我的反对者证明我的结论，我不得不用各种实验来证明它们，虽然就个人而言，我从不认为很多实验是必需的。”
他具有改革家的傲气和斗志，虽然有时说话也很谦虚——“我从未见过一个无知到令我一无可学的人。”他是一个热情的辩论家，善于一句话刺中敌人要害，或用炽燃的义愤来烘烤他。他在耶稣会士安东尼奥·罗科（Antonio Rocco）所写的一本维护托勒密天文的书的边缘写道：“无知的人、笨象、傻瓜、蠢人……宦官。”
但那是耶稣会士联合指责他以后的事。他与宗教裁判所起冲突之前，在耶稣会原有很多朋友。克里斯托弗·克拉维斯曾以自己的观察证实伽利略的观察。另一位耶稣会士赞美伽利略是当代最伟大的天文学家。由贝拉尔米内主教任命来检查伽利略新发现的耶稣会学者委员会所提出的报告在任何一方面都对他有利。1611年他前往罗马，耶稣会士曾在他们的罗马长者会中接待他。“我与耶稣会神父们住在一起，”他写道，“他们已确定新行星的存在，而且持续观察了两个月。我们比较笔记，我发现他们的观察与我的完全符合。”他受到教会显要的欢迎，教皇保罗五世还向他表达永不改变的善意。
4月，他向罗马高级教士和科学家展示他观察的结果，揭露了太阳上的黑点，他将之解释为云朵。很明显，约翰尼斯·法布里丘斯（Johannes Fabricius）并不认识伽利略，他曾在他的《太阳黑点》（De maculis solis，维滕贝格，1611年）文中宣布他们的发现，而且比伽利略先作结论——认为黑点的周期性表示太阳的转动。1615年耶稣会数学教授克里斯托弗·沙因纳写给奥格斯堡市长马库斯·威尔泽（Markus Welser）3封信，声称他已在1611年4月发现这些黑点。伽利略回到佛罗伦萨，接到从威尔泽那儿转来沙因纳信件的抄本。他在1613年就由安卡德米亚·林塞（Accademia dei Lincei）在罗马出版的《太阳黑点的三封信》展开讨论。他宣称他在1610年就观察到这些黑点，而且曾指给帕多瓦的朋友看。为了争论谁最先发现这些黑点，伽利略和耶稣会的友谊冷淡下来。
伽利略相信他的发现只能以哥白尼理论解释，便开始视这个理论为已经被证实的理论。耶稣会天文家不反对把它当做假说。沙因纳将他对哥白尼观点的异议送交伽利略，还附了一封和解信。“如果你希望进一步反驳，”他写道，“我们绝不会生气，相反我们会很高兴审查你的论点，希望这些能有助于真理的阐明。”很多神学家认为哥白尼天文学显然与《圣经》不能两立，如果此论流传，《圣经》便会失去权威，而基督教本身也会受害。如果这个地球现在失去它的首要地位和尊严，在比它大许多倍的行星以及无数星辰中游离，那么上帝选择地球为它居所的基督教基本信仰，会遭到什么样的命运呢？
