A cet égard, en proclamant que le monde était de nature mathématique, il contribua à créer un état d’esprit. On lui doit de nombreuses études, comme celle sur la chute des corps dans le vide ou le pendule qu’il envisagea aussi pour mesurer le temps.
En 1609, la découverte de la lunette, inventée par un hollandais et qui servait davantage de jouet que d'instrument d'observation, fut un véritable tournant dans sa vie. Il en fabriqua immédiatement une copie afin de la commercialiser. Son intelligence et le professionnalisme de son ouvrier lui permirent de perfectionner rapidement l'instrument. En peu de temps, il disposa d'une lunette grossissant 30 fois qu’il eut l’idée géniale de tourner vers le ciel. Ainsi put-il découvrir les nombreuses étoiles, invisibles à l’œil nu, composant la Voie lactée ; les irrégularités présentes sur la Lune ; et surtout, il vit quatre petits corps tournant autour de Jupiter, comme la Lune autour de la Terre, reproduisant un système solaire en miniature.
Véritables bombes dans le jardin de l'aristotélisme, ces affirmations successives gênèrent l'Église qui avait fait d’Aristote son savant officiel.
Ouvertement défenseur des théories de Nicolas Copernic, il s'engagea vivement dans des querelles scientifiques tout en se mêlant imprudemment de questions religieuses. Interdit par l’Eglise de prêcher les idées coperniciennes en 1616, la menace était sérieuse. Face à lui, le cardinal Bellarmin n'était pas seulement le Cardinal Inquisiteur, mais avait largement participé à expédier au bûcher, seize ans plus tôt, le philosophe Giordano Bruno !
En 1623, grâce à la protection de son ami le pape Urbain VIII, et à la condition d’évoquer les théories coperniciennes comme simples hypothèses et de laisser la parole à ses adversaires, il fut autorisé à évoquer sa référence.
Mais en 1632 parut le Dialogue entre les deux plus grands systèmes du monde dans lequel il présentait une « preuve » du mouvement de la Terre, ce qui est contraire aux accords avec le pape. Plus dramatique encore, la preuve de Galilée, basée sur les marées, était fausse.
Encore pire, il prêtait à son personnage Simplicius, ridiculisé du début à la fin de l'ouvrage, des propos qu’aimaient tenir le pape. Fatale maladresse que surent exploiter ses adversaires. Furieux, le pontife souhaita alors le procès de Galilée qui se tint en 1633.
Agé, déprimé, abandonné de tous ses amis et souffrant de la vue au point de bientôt devenir aveugle, Galilée, effrayé, abjura. Quant à son apostrophe « Et pourtant elle tourne », tout le monde s'accorde pour la dire apocryphe: une telle audace lui aurait coûté la vie.