Njegova veličina nije samo u njegovom izumu, iako se može smatrati najvećim optikom svoga doba, nego u činjenici da je dalekozor usmjerio upravo prema nebu. Svoja prva astronomska otkrića i zapažanja objavio je u djelu "Siderius muncius" (1610.). Zalaganje za Kopernikov sistem, koji je jedini točan i istinit, dovelo je Galileja u sukob s crkvenim učenjem, pa mu je odlukom Inkvizicije 1616. zabranjeno naučavanje da se Zemlja okreće oko Sunca i da je ono središte svijeta. Iako je obećao da će odustati od svog uvjerenja ponukan otkrićima koje je izvršio nije mogao odustati od znanstvene istine i u svom djelu "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano..." (Firenza, 1632.) izlaže heliocentrički sustav. Ovo je djelo Crkva odmah označila kao heretičko. Galilejeva dosljednost da iznosi i brani znanstvenu istinu izazivala je oštru reakciju. U Rimu je održan je proces protiv Galileja (1633.), koji je tada bio u 70-oj godini života.

U progonstvu, lišen slobode, odvojen je od svijeta, pod stalnim nadozorom Inkvizicije, dovršio je svoje najveće djelo koje je započeo još u padovanskom periodu: "Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno du nuove scienze attenenti alla meccanica" (Leiden 1638., latinsko izdanje), kojim je udario temelje mehanici. U njemu je izložio zakone slobodnog pada, uveo pojam ubrzanja, obradio gibanje niz kosinu, horizontalni hitac itd. Ovim je djelom uveo eksperimentalnu metodu istraživajna i matematičko formuliranje eksperimentom utvrđenih zakonitosti i time položio temelje modernoj fizci. Preminuo je 8. siječnja 1642., a poslije smrti crkvene vlasti nisu dopustile da mu se podigne nadgrobni spomenik. Tek 1737. položen je u zajednički grob sa svojim učenikom Vivanijem i tada mu je podignut nadgrobni spomenik. Zabrana s njegovih djela u kojima podržava načelo pomičnosti Zemlje, a nasuprot geocentričkom sustavu koji je branila Crkva skinuta je 16. travnja 1757. godine. Prvo kompletno izdanje Galilejevih djela objavljeno je u Firenzi (1842.-1852.) u 16 svezaka.