1609年5月，伽利略第一次知道可以观察远方物体的幻镜。三个月后他做出人类历史上第一架按照科学原理造出来的望远镜。
伽利略望远镜由一个凹透镜和一个凸透镜构成。物镜的作用是汇聚光线，而目镜的作用是发散光线。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方焦点上，因此经它折射后成一放大的正立虚像，这就是为什么通过望远镜能够看到放大的物体。
伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。在人类认识自然的历史中占有重要地位。
伽利略用望远镜观察月球。命名了“环形山”和“海”。得出月球并非是上帝创造的结论，并且也是个物资的世界。他又用观测天空中的星星，得出银河是由无数星体组成的结论。证实了哥白尼的恒星距离理论。后来他还发现木星的四颗“伽利略卫星”。其中木卫二可能是太阳系中第二个存在生命的星球。1610年8月，他确认了金星的位相变化。并能在地球上观测到。后来他还发现了太阳的黑子及变化，证明太阳本身在活动。
伽利略根据天文观测和研究的结果，于1610年出版了著名的《星空使者》一书。他在书中证明了地球在围着太阳转，而太阳不过是一个普通的恒星；也证明了哥白尼的“日心说”是正确的，埋葬了托勒密的“地心说”。当时人们流行的话是：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”
伽利略是一位伟大的数学家、物理学家和天文学家，是近代实验科学的奠基者。1564年，出生于意大利的比萨城。他的科学研究结果推翻了亚里士多德在物理学上的许多臆断，奠定了经典力学的基础，其中最著名的是证明“自由落体运动定理”。推翻了亚里士多德1700多年以来错误的结论。两个大小一样，但重量不等的铁球，从同一高度平行下落，同时落到了地面上。这个结论在物理学发展史上具有重要意义。从伽利略开始的实验科学，是近代自然科学的开始。