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伽利略最著名的成就是建造了第一台具有一定精度的用来观测太阳系的望远镜。
1609年，他改进了望远镜的设计，从而成为第一个使用高效仪器观测天体的人，也是第一个记录月球表面有山脉与陨石坑的人。1610年，他观测到了另一些人们从未见过的现象，这提供了有关太阳系的全新知识：他观测到木星较大的4颗卫星，发现至少有一部分天体并非环绕地球运行；观测到金星的盈亏，这也暗示其环绕太阳运行；还发现了大量的恒星，这表明宇宙远比之前人们所构想的要大得多。
最重要的是，伽利略得出了一个结论：教会主张的“太阳和其他行星围绕地球运行”的理论是错误的。1615年，他在一封信中写道：“关于太阳与地球的运行，受上天启发而成的《圣经》必须按照人们获取的知识来修订。”
伽利略被视为“现代科学之父”，他使用了一种可量化的实验方法解决问题，这种方法最终演变为科学方法的标准。这种方法先是通过受到严格控制的、可重复的实验验证某个有关自然世界的猜想（想法），然后以数学语言表达结果，再根据实验结果与预测的符合程度判断是否要对原猜想进行修正，或者直接证伪原猜想。这个进程将一直进行，其目标就是得到一个与事实完全相符的理论。
伽利略出生于意大利比萨（Pisa）的一个曾是贵族但后来一贫如洗的家庭。父亲希望他能成为薪资优渥的医生，于是送他去读了大学，但伽利略对数学难题和自然哲学之外的事物完全不感兴趣，因此没能拿到学位。
虽然伽利略是小有名气的数学家，但他的父亲担忧他会变得穷困潦倒，最后他的境况确实如此。后来他开始从事发明创造活动，当他仿照某项大多数人从未见过的荷兰发明创造出了望远镜之后，他的财富开始急速增长。他改进了这种仪器，最终成果使他有了各种伟大的天文发现，其中就包括地球和诸行星环绕太阳运行的证据。他声名鹊起，并获得了托斯卡纳大公（Grand Duke of Tuscany）科西莫·德·美第奇（Cosimo de Medici）的宫廷数学家这个待遇优渥的职位。
伽利略所支持的日心说体系与教会宣扬的学说相冲突。
1600年，宗教裁判所（Papal Inquisition）以火刑处死了哲学家、占星家乔尔丹诺·布鲁诺（Giordano Bruno），或许是因为这一事件，伽利略公开放弃了自己的观点。这一事件成为宗教与科学之间冲突的象征。