伽利略每晚都有用自己的望远镜观看月亮。他看到了月亮上的高山、深谷，还有火山的裂痕。后来又开始观看太空，探索宇宙的奥秘。
他发现，银河是由许多小星星汇集而成的。
他还发现，太阳里面有黑斑，这些黑斑的位置在不断地变化。因此他断定，太阳本身也在自转。
伽利略埋头观察，以无可辩驳的事实，证明地球在围着太阳转，而太阳不过是一个普通的恒星，从而证明了哥白尼学说的正确。1610年，伽利略出版了的《星空使者》。人们佩服地说：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”
哥白尼提出“日心说”，指出地球是球形的；地球在运动，并且24小时自转一周；太阳是不动的，而且在宇宙中心，地球以及其他行星都一起围绕太阳做圆周运动，只有月亮环绕地球运行。
伽利略用他的望远镜首先观察月球，观测到了月球的高地和环形山投下的阴影，接着又发现了太阳黑子，此外还发现了木星的4个最大的卫星，为“日心说”找到了确凿的证据。
伽利略开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“现代天文学之父”、“现代物理学之父”、“近代力学之父”、“近代科学之父”，其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。
伽利略通过日心说确定了科学研究的重要方法：实验和观测，要知道在此之前，人们研究科学是依据常识和经典。
首先伽利略发明了一个新的工具，伽利略天文望远镜，看到了别人看不到的东西。在他之前大家都是靠视力来获得天文信息的。
伽利略利用望远镜观测到了一系列可以支持日心说的新的天文现象，从而确立了日心说。