Galileo pronašao je zakone slobodnog pada tijela, prvi uveo opitnu metodu i matematičko formuliranje fizičkih zakona i na taj način postavio temelje klasične fizike. Otkrio je cikloidu i njenu primjenu na lukove mostova. Osnovao je balistiku, određujući paraboličku putanju zrna. Konstruirao je prvi termoskop. 1610. godine je izradio poznati Galilejev durbin sa uvećanjem od 20x, na temelju već postojećeg koji je imao uvećanje od 10x, i njime otkrio planine na Mjesecu, četiri Jupiterova satelita koji nose i njegovo ime, i zvjezdanu konstrukciju Mliječne staze. Otkrio je da i planeta Venera ima iste faze kao i Mjesec.

U svom djelu “Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo tolemaico e Copernicano”, objavljenog u Firenci 1632. godine, iznio je učenje heliocentričnog sistema i zbog toga ga je inkvizicija 1633. godine stavila u okove i odvela u Rim, kod pape Urbana VIII. Poslije dvije sedmice provedene u karanteni na insistiranje Ferninanda II. de Medicia, premješten je u rezidenciju toskanskog konzula. U aprilu 1633. godine je inkvizicija počela njegovo ispitivanje, da bi sa suđenjem počela 22. juna 1633. godine i u namještenom sudskom procesu ga osudila na odricanje od svog učenja, na što je on i pristao, bojeći se da ga ne bi zadesila ista sudbina kao i Giordana Bruna iz godine 1600, i na zatvor neodređenog trajanja, što je kasnije papa Urban VIII. pretvorio u konfinaciju (kućni pritvor).

Pritvoren do smrti u svojoj kući u Firenci, završio je svoje veliko djelo Discorsi e dimonstrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica, koje je objavljeno 1638. godine, a u kojem je objasnio zakone fizike i mehanike u novoj svjetlosti, po čemu se i smatra osnivačem klasične fizike i mehanike. Prvo izdanje njegovih svih knjiga izdano je u Firenci između 1842. i 1856. godine u 16 knjiga.

31. oktobra 1992. godine, 359 godina poslije procesa protiv Galileia, papa Ivan Pavao II je zatražio oprost i ukinuo presudu inkvizicije protiv Galilea Galileia.

U njegovu čast, svemirska sonda napravljena za istraživanje Jupitera je nazvana njegovim imenom, kao i satelitski navigacioni sistem koji je u izradi.