伽利略重回佛罗伦萨的想法被重新唤起了。生活的重担对于伽利略来说一直都没能摆脱掉，所以，他的很多选择都必须以能够继续给自己、给别人带来安稳的生活为前提。所以，这一次是一个回佛罗伦萨的好机会。伽利略还记得，几年前，当科西默还是王子的时候，他曾经写信给科西默王子，在信中对他表示了敬意。在信中伽利略说：“任何一位统治者都需要几个忠实而有才干的侍从，而我将是最忠实可靠的一名仆人，我宁愿受您的使唤而不愿找其他主人，因为在我看来，您的态度温和天性仁慈，使得任何人都情愿受您的驱使。”
由于他和科西默王子的交往一直都很友好、很顺利，所以，这次伽利略把希望寄托在了科西默大公的身上。很快，伽利略就给托斯卡纳宫廷里的一位叫做杰拉迪尼的大臣写了一封长信，在信中伽利略坦率地表达了自己的心愿，他在信中写道：“我已经工作过的20年，是我一生中最美好的时光，但时间和精力也就这样被零碎地肢解掉以满足每一个效劳对象的要求。在我的职业当中，上帝和我自己的努力都没有给我才能。我现在最大的愿望就是在我离开这个世界之前，我能够有一个安静和闲暇的环境，让我把手头上的3部著作写完，并将它们出版问世。我想我不能从任何人那里得到有效的帮助，我只寄希望于大公。”
很明显，这是一封试探性的书信。信中所说的话，其实都是说给科西默大公听的。伽利略希望这封信能让大公想起他曾经的承诺，以给伽利略一个更好的去处，可是，不久这件事情就被他和玛丽娜分手的事打断了。
人总是生活在一定环境中的，所以一个人的思想不可能跳出他的历史局限，就像伽利略这样有成就的学者也没逃脱安排。
伽利略和玛丽娜一直都没有在教堂正式结婚。这其间的原因可能是玛丽娜的出身比较贫寒，而伽利略虽说并不富有，但他的祖上却是望族。这种等级观念在当时是深入人心的。于是，玛丽娜与伽利略在经过一次长谈之后，没有争吵，没有推托地分手了。
两人分手之后，伽利略有一种如释重负的感觉，无论怎样，以后家庭负担会大大减轻，因为女儿在修道院里的生活费，儿子的抚养费远远比玛丽娜所需要的钱少多了。这样，伽利略会还清债务，可能他还会有一些积蓄。但伽利略又是孤身一个人了，伽利略有些替自己悲哀，45岁了，竟然连一个美好的家庭都没有。
就在伽利略孤独和苦闷的时候，又出现了一件意想不到的大事扩大了他的生活空间。
1609年7月19日，伽利略到帕多瓦东边的威尼斯去访问一位朋友。
伽利略从威尼斯的朋友那里得知荷兰人发明了望远镜，于是跑到威尼斯共和国的科学顾问萨比那里，问他对荷兰人发明的望远镜有什么见解，萨比一直很欣赏伽利略的科学才能，于是把自己收集的一些关于望远镜的资料拿给伽利略看。
过了几日，伽利略听说有人在帕多瓦公开向人们展销望远镜，于是伽利略又迅速返回帕多瓦。可那个商人又去了威尼斯，据说他要向威尼斯政府出售此项“技术秘密”。伽利略手头上已经有了制造望远镜的详细资料，于是不再去追赶那位商人，他潜下心来，研究望远镜的原理和制作。
1609年8月4日，伽利略利用一根铅管和一个凹透镜片、一个凸透镜片，在调好两个镜片的距离之后，伽利略制造出了一架倍率为3的望远镜。他立即向威尼斯政府通报，他已经能够制造出望远镜了，所以不必理会荷兰商人的“技术秘密”。
随后，伽利略又成功地制造出了倍率为9的望远镜。他把望远镜带到威尼斯，安置在圣马克广场的塔楼的顶层。这处塔楼是威尼斯最高的建筑物，在这儿人们可以看到远处海上和陆地上的景物。
由于伽利略的这项发明，他被帕多瓦大学聘为终身教授，年薪从500弗罗林增加到1000弗罗林，伽利略高兴极了。
自有人类以来，一轮皎洁的明月就一直吸引着人们去探索。伽利略也把他的注意力投到了月亮上。当他有倍率为9的望远镜时，他没有什么确切的发现。当伽利略成功地研制出倍率为20的望远镜时，他相信那情形必将有所不同。
通过高倍率的望远镜，伽利略不仅看到月亮上有山脉和大量的环形山，他甚至还根据山峰的阴影来估计山脉的高度，他把这些观察结果都记在了他的《对话》中。
望远镜像一头公牛般闯进了古老的天文学领域，使天文学那些完美、精致的天体和天球理论遭到致命的重创。可是，人类的天性是保守的，他们不喜欢一个陌生人突然闯进他们的思想家园，把他们孩提时代起就固守的一些信念打破。因此，当新事物被大智大勇者揭示出来的时候，事情总是不那么令人愉快，尤其是这些新观念或者意见与统治者的利益息息相关时，往往更是如此。
伽利略很快就觉察到他周围的一些人，尤其是哲学家们，对他的新发现“嗤之以鼻”。伽利略于是让他们亲自去看一看，可是，有些哲学家就是不肯，好像一贴上望远镜就会被施以魔法一样。有的哲学家倒是“屈尊”在望远镜里看了看月亮。可是他们却看到了“不一样”的情景。他们声称，月亮表面是光滑的球体，它的表面上覆盖着一层透明的晶体，在这层晶体之下才是伽利略看到的被“误认”为是群山的东西。伽利略讥讽这些哲学家们说：“这些哲学家们从来都没有否认过月亮像镜子般光滑，如果可以想象的话，他们想让月亮比镜子更光滑！”
对天发问1610年1月7日的晚上，天空中只出现了木星和土星两颗亮星。由于土星的位置太低，所以在日落后一个半小时，它就达到了地平线上几度的位置，而且几乎已经看不到了。这时，只剩下木星高高悬挂于东方的夜幕上。
伽利略仍然用倍率为30的望远镜对准木星，仔细地观察，伽利略发现，在木星的周围，有3颗小星，两颗在东侧，一颗在西侧。这一点引起了伽利略的注意。
第二天晚上，伽利略又看到了那3颗小星，但是它们的位置变了，都到了木星的西侧，而且相互间的距离缩小了，伽利略开始想这样的位置变化是由于木星自身的运动导致的，但是，几颗小星之间距离的变化解释不通啊！于是，他随即想到这种位置变化是由于这3颗小星自身的运动而引起的。
1月9日的晚上，阴云密布，伽利略什么都没有看到；1月10日，木星周围只有两颗小星出现，而且都在木星的东侧；l月11日晚，依然如此；1月12日晚，又是3颗小星，一颗在西侧，两颗在东侧，而且似乎不是原来的那3颗了；1月13日晚，木星周围出现了4颗小星，东边有1颗，而西边有3颗了；1月15日晚，这4颗星都在西边，而且几乎在同一条直线上。
于是，伽利略发现了木星周围有4颗卫星在围绕着它旋转，他在《对话》中论述道：“我们看见木星，就像另一个地球一样每12年绕太阳一周，而随着它一起运行的不止一个月亮，而是4个月亮……”
伽利略的发现又在哲学家中遭到强烈的反对，他们以“亚里士多德说过……”为盾牌向伽利略发起进攻。对这一点，伽利略总是耐心地说：“亚里士多德也是十分盼望发现真理的，他如果有机会利用我的望远镜去看一看的话，我相信，他也一定会改变他的观点的。”
有人则用《圣经》来责难和威胁伽利略，他们说：“圣·阿奎那说过……你敢否认教会肯定了的真理吗？”
伽利略用一位著名主教巴朗尼的话来还击他们：“我是忠实于教会的，但《圣经》只教我们如何走向天堂，而不是天空。”
还有的人用神秘的数字学来向伽利略发难，他们的理由是“七”这个数字从古至今都被人们视为一个无尚“吉祥的数字”。伽利略怎么胆敢冒天下之大不韪，在“七”个游星（包括土星、木星、火星、金星、水星、太阳、月亮）的后面加上一个“四”，把它变为不伦不类的“十一”呢？要知道，一周之内有7天，北斗星有7颗，彩虹是七色的，去麦加朝拜，也要逆时针绕全堂克尔后转7周！
依照惯例，伽利略有权为他发现的新星命名。令伽利略高兴的是，木星的卫星恰好是4颗，这是一个吉祥的数字，因为科西墨大公恰好是兄弟4人。为了日后能到佛罗伦萨宫廷去任职，伽利略决定，把这4颗卫星取名为“美第奇星群”。
伽利略收到了佛罗伦萨宫廷秘书方达的信，在信中方达传达了科西墨大公的意思，如果伽利略回到佛罗伦萨，他可以有两类工作：一个是比萨大学的数学教授，另一个是担任托斯卡纳宫廷哲学及数学顾问。
这两个职位都让伽利略感到高兴，因为比萨大学的职位使他博回了足够的面子，18年前他被比萨大学冷冰冰地解了职，而如今能风风光光地回去，当然是人生一大快事；宫廷顾问的职位可以使他薪水不少而自由机动的时间很多，而且他还可以有权仲裁科学争端。
1610年的秋季，伽利略离开了威尼斯，离开了儿子文森佑，回到了佛罗伦萨。1610年9月12日，伽利略终于回到了佛罗伦萨。
伽利略此次返回佛罗伦萨，受到了前所未有的迎接。比萨大学里的学生把他当作神明一般地敬仰；昔日的那些论敌似乎也都离开了学校，现任的老师都对伽利略尊崇备至，当他讲解他的新发明的时候，宫廷官员和科学家们都会洗耳恭听……但是，在一片友好的欢迎中，伽利略也感觉到了一种不友好的气氛在他周围潜伏着，似乎在等机会出击。但是，让伽利略感到安慰的是蒙特主教给了他一幅镶有珍珠的图画和一封写得十分诚挚的信，作为对伽利略赠予望远镜的回报。而且，罗马学院的很多教授也开始承认木星周围有4颗卫星的事情是确凿无疑的。
伽利略又投入到了天文学的研究当中，他的学生卡斯特利写信给他，建议伽利略抓紧时间观察金星，因为如果哥白尼的主张是正确的，那么金星就应该是绕日而行的，那么，金星就一定会有盈亏。于是，伽利略开始研究金星。
一连两个星期的观察，伽利略得到了结果，他发现金星的盈亏规律。金星不但和月亮一样，在形状上可以由满月而变为娥眉月，而且光亮也会因时而有增长和消退之分，它的外圆半径也会大小相异。这一观察结果充分说明，金星是绕着太阳在转动的，而不是绕着地球。这一点，打破了亚里士多德的天体理论，从而证实了哥白尼的日心说。
伽利略透过望远镜看到了金星的盈亏情况，这一回，亚里士多德学派的人只能缄口不言了。但实际上，伽利略就此认定哥白尼的日心说获得了根本性的胜利，也犯了错误。但是科学总是要循序渐进发展的，真理也总是要一步步去揭开面纱的。
除了金星的盈亏，伽利略还有更重要的发现，那就是太阳表面的黑点。伽利略认为黑子是太阳表面上的某种现象引起的，由黑子的运动，就可以推断出太阳是围统自身的轴线在运动的。这一点对于亚里士多德学派的人来说更是不可容忍的，他们坚持认为太阳是完美无缺的。太阳神阿波罗象征着光明，它的光辉普照着大地，可伽利略却说它的上面有黑子，还说太阳也和其他行星一样自转，太荒唐了！一股敌对的力量，正在伽利略的身边酝酿着……伽利略觉得他有必要去罗马一趟了。他必须要获取罗马教会的认可。
因为罗马学院里的一些教授们已经认可了哥白尼日心说的正确性，而且，伽利略这次罗马之行还想让罗马教会的权威们知道，并且相信他是一个忠贞的天主教徒。
1611年春天，伽利略第二次来到了罗马。伽利略在罗马又一次感受到了胜利者的滋味——罗马最有名望的学者和大使来接待他，主教、君主们一起出席为他洗尘的晚宴。
主教们和伽利略一起进行了天文科学的讨论。他们都伸出友谊之手，答应给予伽利略支持，虽然其中有的人并没有读过《星辰信使》，但是由于受巴伯瑞德主教的影响，对于这本书也多有赞扬。
更让伽利略感到振奋的是，罗马教皇保罗五世亲自接见了他，虽然场面并不是很隆重和热闹，但这位世界上最有权力的教皇却对伽利略表现出了一些关爱。他询问了这位当时世界上最有智慧的人的生活和近来的研究情况，保罗五世很聪明，他并不直接干涉科学方面的事情，而是把这些交给职位不是很高但学识渊博的官员去处理。伽利略很欣赏这种处理科学问题的方法。这次罗马之行，伽利略并没有感到科学对他的新发现的任何排斥迹象。
在罗马停留一段时间，伽利略返回佛罗伦萨，而且很快投入到了科学研究之中。萨尔维职蒂请伽利略去参加一个关于流体静力学的“凝缩”与“稀释”问题的讨论会，这是亚里士多德学派和原子论者之间早已有的一个基本问题的争论。
伽利略在讨论会上说，冰块之所以能够浮在水面上，那是因为冰比水轻，与冰的形状毫无关系。因此，伽利略把冰称为“稀释的水”，而且还作出了令人惊讶的结论：“热胀冷缩是一般物质都要遵守的原理，但是，水是仅有的例外。”
比萨的一位哲学教授格拉兹里立刻表示反对，他说：“冰不是稀释的水，而是凝缩的水。它能浮在水面上，是冰的形状使然，而不是冰比水轻。水也是绝对遵守热胀冷缩原理的。”
伽利略因为这件事情又遭到了拥戴亚里士多德理论的哲学家们的憎恨，而且他们采取了一些非科学争论的手段来制服对手。
科西墨大公知道这场争论后，觉得这件情有损宫廷的威望，于是，他召见伽利略让他停止公开争论，而把自己的观点整理成书。
伽利略认为大公的建议颇有道理，于是就写了一本关于流体静力学的论文集，叫做《关于水中浮沉性质的对话》。这本书在1612年出版以后，立即被抢购一空。许多读者在开始的时候都觉得伽利略的说法有些违背“常识”，但读了这本书之后，尤其是按照伽利略设计的实验亲手操作之后，人们开始信服伽利略的观点了。
但是，仍有一些哲学家根本不顾及事实，他们也出了一本书来长篇大论地攻击伽利略。凡是伽利略说的话，他们一律加以驳斥，大有不彻底打倒伽利略誓不罢休的架势。这些还都不是最可怕的，最让伽利略感到不安的是这些攻击者中逐渐有了科学家的参与。
德国耶稣教会教士沙伊纳在1612年写了一本关于太阳黑子的书，他把这本书寄给了德国奥格斯堡的史学家威塞尔。随即，威塞尔以阿佩尔斯为笔名发表了沙伊纳的书，他还送了一本给伽利略。
伽利略看了这本书之后非常地生气。无耻的沙伊纳居然声称自己是第一个发现太阳黑子的人，而且，他还用亚里士多德的学说来解释太阳黑子，说二者是相互融合，相互支持的！
“无耻之徒！”伽利略愤怒地说道。于是伽利略决心对太阳黑子做进一步的观察，然后出书撕破沙伊纳的假面具。