1616年初，伽利略依据地球的运动写了一本详细论述潮汐理论的书，把它献给了亚历山大里亚红衣主教奥西尼。但当奥西尼去见教皇时，教皇却要他劝告伽利略不要再发表言论，免得罗马天主教宗教法庭对他开庭问罪。
教皇询问了红衣主教贝拉明，贝拉明建议把有争议的命题交给专职裁判的神职人员去裁决。
1616年2月24日，在宗教法庭红衣主教的每周例会上宣读了裁决者的审理报告，然后教皇要求贝拉明告知伽利略，不可再坚持被谴责了的命题或为它辩护。如果伽利略无视劝告，那么宗教法庭的首席代表将当着公证人和见证人的面命令他不得坚持、辩护或“讲授”这些命题，免得宗教法庭加罪于他。
1616年2月26日早晨，红衣主教贝拉明派了两名捕役到伽利略住处传唤他。贝拉明在其他人没来之前告诉伽利略，不要反驳对他提出的任何问题。
这时，宗教法庭代表和一位公证人，以及一些不请自来的多明教会神父都到了，贝拉明主教坐下来向伽利略宣读了官方决定。宗教法庭代表已看到贝拉明对伽利略说了些什么，不给伽利略回答的时间，就以教皇的名义，向伽利略宣布了禁令。伽利略默然听从，公证人把这些记录在案。
贝拉明把伽利略送到门口，请他在回佛罗伦萨前再来一趟。他告诉伽利略多加小心。可以讲授哥白尼的学说，但得说明，这是哥白尼的学说，教会不接受他们。千万不能说这些学说是正确的，并要伽利略记住这点。
3月5日，教皇发布了一条教令，凡认为地球运动而太阳静止是真实的，或认为这种观点与《圣经》不相矛盾的著作皆列入《禁书目录》。
不久，贝拉明再次与伽利略谈话，并把有关的真实情况告诉了教皇。几天后，伽利略被允许谒见教皇，他从教皇那里得知，教会了解他的敌人的阴谋和他自己的真诚行为。并让他放心，只要教皇保罗五世还活着，他就不会遇到麻烦。
伽利略在罗马向科学家和教师们阐明了许多新观点，做了许多事，因此，呆了很久。这时，他收到了考锡摩的一封信。
考锡摩在信中告诉伽利略，他向亚里士多德派解释是在浪费时间，他们是决不会认真听的。考锡摩打了个比喻说：“如果这些狗东西想睡觉，就用不着叫醒他们。”考锡摩要伽利略快回到佛罗伦萨，“因为工作在等着他。”
伽利略在5月份返回了佛罗伦萨，他的望远镜和实验总是给他带来令人惊喜的发现，他每天都要把工作情况记录下来，忙得没空写书。
1621年，31岁的考锡摩不幸逝世了。10岁的新大公费迪南德即位，佛罗伦萨教会的势力增大了。伽利略不得不小心谨慎。
1623年，伽利略写了一本书，书名叫《试金者》。
林赛学会正要在罗马出版《试金者》一书时，恰逢M.巴贝里在成为教皇乌尔班八世。他是佛罗伦萨人，是个知识分子，也是伽利略多年的朋友和赞赏者。林赛学会和伽利略决定将新书送给他，在扉页上印上“谨以此书献给我们教会的伟大领袖乌尔班八世”。
教皇愉快地接受了这本书，并表示，他将在每天用餐时让人读给他听。
接着，教皇给伽利略写了封善意的信，对伽利略表示抱歉，因为他无法从《禁书目录》上除去哥白尼的名字。他告诉伽利略，伽利略明白其中的理由，伽利略必须接受这些理由。教皇又表示，希望伽利略继续做实验，实验的价值是非常巨大的，这些实验对伽利略的同胞有好处。
教皇还给年轻的费迪南德写了信，信中，教皇表达了对伽利略的真实观点：
“木星的光芒只要还在天空中闪耀，地球上的人就不会忘记伽利略！”
《对话》的写作
1624-1630年，伽利略忙碌而安静地工作着，他日间做实验，夜里观察星星，几乎每晚都把行星和月亮的情况记录下来。接着，伽利略开始写一本关于潮汐理论的书，叫《关于潮汐的对话》，这本书为伽利略最伟大的作品。
伽利略写得很慢，他对事实格外慎重，并且，当时各国有学问的人都学拉丁语，科学家用拉丁语写作，但伽利略并不为有学问的人写书，所以用的是意大利语。
伽利略表示，他以前通常用拉丁语写作，但他想让意大利人民看懂这本书，虽然有许多人不识字，但他们的朋友会读给他们听的。
就在伽利略即将完成他的书时，他得到命令，书名不能定为《关于潮汐的对话》，所以伽利略把书名改为《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
在16世纪，对话体裁的书已被广泛用来教育民众，伽利略在对话中实际写了两位专家在争取无偏见的第三位参与者的支持。书中的一位代言人主要代表伽利略，而在他自己想要发表个人意见或愿对某些事情负责的时候，他则以“我们的朋友”，“院士”或类似的面目出现。
伽利略的主要代言人是意大利数学家、天文学家和物理学家萨尔维阿蒂（1582-1614年），亚里士多德派的专家是古希腊著名的亚里士多德著作注释者辛普利邱，辛普利邱的论点是克雷蒙尼尼和意大利哲学家、天文学家、数学家和诗人科洛姆（1565-1615年？）的论点的再现。第三者是伽利略在威尼斯的挚友，1620年去世的沙格列陀。
对话分作4天进行，对话者们专门探讨新旧天文学的优劣。
第一天，对话以讨论亚里士多德对天上物质和元素物质的分类以及与它们相关的运动来拉开序幕。以逻辑学和自亚里士多德以来的新天文学知识为武器，批判了自然哲学的基本原则。在逻辑上指责亚里士多德常常把有待证明的东西接受下来，并且作了一些未被承认和不合理的假设。关于所讨论的新发现主要是月球表面的地貌以及山脉和火山口光照的连续变化。
第二天主要证明，没有任何证据足以反驳地球自转的假说。伽利略主要依据物理学的论据，以运动的相对性和运动的守恒性为主要武器。
第三天谈到地球绕太阳的公转，谈到有关地球自转和地球公转的某些现象。涉及公转的一个现象是一年中太阳黑子路径的环形变化。
第四天讨论了潮汐。伽利略说：在绝对不动的地球上，除了祈求发生奇迹，再没有别的办法解释大海的周而复始的宏大运动。这一众所周知的、常见的物理现象确实需要用新的天文学来解释，这是伽利略从大海的运动中推出来的。
伽利略提出潮汐的两个基本原因：一个为说明海洋的连续扰动，另一个为说明地中海潮汐的周期性，它不能从连续扰动的周期中推导出来。
伽利略的朋友认为这本书很好，但又想到了伽利略的敌人是不会喜欢它的。
伽利略对付敌人的办法是：书印成后，呈送给教皇宫廷。伽利略想，如果教皇不太喜欢书中的某些部分，他将修改。如果教皇允许他出版，他的敌人就无法捣乱了。
教皇宫廷的人都是些正直的人，把这本书读了三遍。他们喜欢这本书，知道书中说的都是真话，他们也知道宗教会议中有很多人对这本书一定会大发雷霆，最后，他们作了些小的修改，就得到了许可。
有一个人给伽利略写信，建议伽利略把书送到佛罗伦萨去出版，趁还没有惹出麻烦，赶快把书卖掉。
伽利略照办了。
1632年3月，佛罗伦萨出版了《对话》，开始卖书。
宗教法庭的审判
伽利略卖他书的时候，罗马正流行鼠疫，所以那里的人并没有立即收到他的书，然而欧洲各地的科学家们都能买到。
伽利略在宗教会议里的敌人看到这本书后非常恼火，他们既不公平，也不正直，他们绝不允许意大利存在这样的书。他们想出了一个绝妙的办法，给教皇打个假报告，教皇一发火，他就会查禁这本书了。
他们又把这本书读了一遍，假报告被他们想出来了，必须在辛普利邱这个人上做文章，他们要告诉教皇，辛普利邱影射的就是教皇，教皇就是辛普利邱。辛普利邱这个人很愚蠢，不会独立思考，他是因为托勒密的学说很古老就接受了它，他就是这样回答了哥白尼的话。
于是，他们来到教皇那里，对教皇说：“辛普利邱是代表教会的，而您是教会的领袖，因此，您就是辛普利邱。伽利略在这本书里把您描写成一个蠢人。如果人们读了这本书，他们就会讥笑您。您决不能允许伽利略出售这本书，该把这本书列在《禁书目录》上。”
乌尔班听信了这个假报告，大为恼火。
这年8月，罗马宗教法庭突然下令停止售书。
一天，一个陌生人来到佛罗伦萨附近的伽利略家，对伽利略说：“我是宗教会议派来的，他们要把你的新书列入《禁书目录》，你必须把所有的书交给我。”
伽利略对他表示抱歉，因为他把书都卖完了。
大公费迪南德二世（1610-1670年）对这位客人很不满意，强烈抗议如此对待这位已获准出书的作者，但已无济于事。他只好给在罗马主管他的房产并料理他的事务的尼科利尼写了一封信询问这事。
尼科利尼在回信中说：“教皇对伽利略非常恼火，但他找不出什么理由。
他以前一直是伽利略的朋友，因此伽利略的敌人就是他的敌人，现在，他似乎害怕他们了。”
10月初，伽利略家里又来了一个陌生人，告诉伽利略，必须在本月底以前到罗马去，宗教会议想见他。
伽利略这时已年迈体衰，天气寒冷，鼠疫流行，沿途设置了层层检疫关卡，难以成行。他只好给罗马的朋友们写了封信。他们去见教皇并告诉教皇，如果现在就要伽利略来，他会在半路上死去。但得到的答复是：“你可以慢慢地来，但必须来。”
佛罗伦萨教会的首领们带来了3个医生来看望伽利略。这些医生签署了一份报告，称伽利略病情严重，无法出门。他们把报告送到罗马，得到的回答是：“如果他不马上来，我们将用武力押解他来罗马，并且他要付捕役们的盘费。”
接着，从威尼斯寄来一封信，信中说：我们听说罗马教廷要把你投入监狱，不要去罗马。如果他们把你投入监狱，你就会死在狱中。你为什么不回到我们这里来呢？我们不怕宗教会议。你在这里，他们不能把你怎么样。我们会照顾你，可以出版你的书。
伽利略向威尼斯人表示，他要去罗马，因为他不仅在威尼斯，而且要在意大利各地发售他的著作，因此他必须回答罗马的问题。伽利略说：“我在那里仍然有些朋友。”
费迪南德大公非常伤心，他向伽利略表示，如果伽利略非去罗马不可，由他来负担一切费用，而且派人送他去，还让他的医生陪着去。到罗马后，伽利略可以住在他的私人寓所中，由尼科利尼来照顾他。
1633年2月，伽利略到达了罗马，投宿于很友好的新任托斯坦纳大使的驻所。
3月12日，审判开始了，他们问伽利略：“是你写了一本论述托勒密和哥白尼的书吗？”
伽利略回答说：“是的，教廷曾允许我出版这本书。”
法庭则反驳说：“他们不知道实际情形，他们不知道你在1616年所许下的诺言。那年我们就在这里召见了你，你答应不讲授哥白尼学说，也不著述有关这方面的东西。”
伽利略据理力争：“这不对，我只答应不讲授哥白尼学说，我也一直没有讲授过。我写书论述了他的学说，我说哥白尼的学说与托勒密的学说不一样，但我从来没有说过哥白尼的学说是正确的。”
他们拿出一张纸条让伽利略看，条上的日期是1616年，条上写着伽利略答应不写书论述哥白尼。
这张纸条不是当年伽利略签字的原件，而是一份未经签署的会议记录，但年迈病重的伽利略，无力证明这张纸条不符合最可靠证据原则。按这个原则，伽利略已经胜诉。在他们的管辖之下，他无法对付这些狡猾的敌人。虽然审判中没有提出任何有关科学的问题，罪名只是“具有重大异端嫌疑”。
只要违背了宫廷命令就足以加上这个罪名，而不管是否有过异端言行。
释放伽利略有损于罗马宗教法庭的名誉和权威，因此，他们先是告诉伽利略，教皇很生气，因为他违背了自己的诺言，要进监狱。然后又私下安排要伽利略承认做了一些错事，并且不要为自己辩护。如果接受了这样的条件，他可以获得宽大处理。伽利略书面承认，在读了自己的《对话》之后，发现其中某些地方过于偏激。然后他辩解说，任何人都会夸大自己的论点，他否认有任何不良意图。
宽大处理的结果是终身监禁，伽利略完全崩溃了。
审判结束了，但伽利略无须坐牢。托斯坦纳大使设法使伽利略的终身监禁改为由锡耶纳的大主教皮可罗米尼监护。伽利略应大主教的邀请去拜访了他。大主教鼓励伽利略开始写计划已久的关于运动的论文，他的仁爱和理智拯救了伽利略的生命和神智，使伽利略重新将精力用于科学。
伽利略在锡耶纳收到了他的大女儿弗吉尼亚的一封来信。弗吉尼亚1616年进入阿圣翠的圣芳济会女修道院，取名为修女玛丽亚·塞莱斯特。他女儿在信中表达了对他深深的思念之情，使他的心飞到了自己心爱的女儿身旁。
1633年底，伽利略终于获准回到他在阿圣翠修道院旁边的一所别墅，这所别墅是他在1631年得到的。
伽利略在他的别墅生活中，也充满了不幸，首先，他要在宗教法庭的监视之下，其次，他患了严重的疝气病，他要求罗马当局允许他去佛罗伦萨就医，但被拒绝。
1634年4月2日，伽利略又遭受了一次沉重的打击，他那心爱的女儿弗吉尼亚在修道院死去。
伽利略的疝气日益严重，心率常常过速，失眠严重，爱女死去给他造成的忧伤使他茶饭不思。他已经无力写作，成天精神恍惚，甚至忘了给朋友们回信。