此时，德国有位名叫开普勒的天文学家出版了一部《新天文学》。开普勒通过大量的叙述，总结出一个结论，就是哥白尼的太阳中心说是正确的。伽利略读完后，他也越研究越倾向于哥白尼的学说，希望有一天自己能亲自证明哥白尼学说的正确性。
1609年，他收到荷兰一位朋友的来信。信中说一位名叫利珀希的荷兰人有一个奇怪的发现：如果将一块凸镜片和一块凹镜片合在一起，看到远方的景物就好像近在眼前。伽利略对这个发现很感兴趣，他想：如果用这种能放大景物的镜子观察天体，一定会超过肉眼。于是他决定自制这样一个“魔镜”。
伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的望远镜。
他首先找来了所有关于透镜的材料，进行仔细的研究。伽利略知道，人们之所以能看见一个物体，是因为光线从这个物体上射到人们的眼睛里。在光线笔直的路线上，透镜能使它折射。凸透镜中间比边上厚，能使光线向里面折射；凹透镜正好相反，中间比边上薄，使光线向外面折射。把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离上，能使物体看起来放大。于是伽利略开始实验。他先花费很长时间来研磨玻璃，一片一片地磨好、擦亮，直到这些玻璃完全符合他的要求为止。他把透镜做成一对一对的，一片凸透镜，一片凹透镜。然后又准备了一个双层的能滑动的管子，一头安装一片大的凸透镜，另一头安装一片小的凹透镜。当他把管子对准窗外的建筑物时，惊讶地发现，那个建筑物似乎近在眼前，建筑物表面上那被风吹雨淋的道道斑痕都看得一清二楚。再看那稍远些的教堂上的钟塔，也是又大又近。成功了，他使物体整整放大了9倍。
伽利略还不满足。1609年的整个夏天，他都在制作这种镜管，进行反复的计算，把透镜研磨得更加精确，放大的倍数也越来越大。1610年他又制成了能放大32倍的透镜。伽利略要给这个仪器取个更好的名字，但一时又想不出合适的字眼，直到两年以后，才给它起名为“望远镜”。
“现在我可以用它来观测天体了。”伽利略这样想着。
1610年1月6日夜晚，是天文学史上一个里程碑日子。这一晚，天鹅绒似的夜空中，繁星密布，伽利略第一次把他的望远镜对准了夜空。那浩瀚壮观的天文奇景令他惊愕、着迷。
他首先把望远镜对准了月亮，美丽的月神顿时变成了麻姑。在望远镜的镜片中，月亮的表面既不光滑，也不平整，既有凸起的高山，也有凹陷的深谷。这一发现，使伽利略兴奋得整整观察了一夜。此后他又连续几夜对月亮进行观察，还发现月亮本身并不发光。因为当月亮只有半边发亮时，只要注意观察就会发现，它的另半边好像不在那里。但如果使用望远镜就能看见，它有一圈很暗淡的光。好像是另外还有一个不太亮的天体，把光照射到月亮的另一面。根据计算伽利略认为，傍晚的时候人们之所以能看见月亮，是因为地球被太阳照到的部分，正好面对着月亮。就像月亮把从太阳得到的光反射给地球那样，地球也把太阳光反射给了月亮，月亮和地球本身都不发光。月亮在不断旋转，而且是环绕着地球……
第二年，伽利略把望远镜转向了木星。他发现木星附近有3颗明亮的小星星，就像3个小月亮一样。两颗在木星的东边，一颗在西边。第二天晚上观看时，却发现3颗小星全在木星西边。过了几个晚上，木星附近又出现了第4颗小星。以后他又一连观察了十几个夜晚，这4颗小星每天晚上都在改变自己的位置。伽利略仔细推算这4颗小星运行的情形，终于了解：“这4颗小星不是行星，而是卫星！它们像月亮绕地球旋转一样，绕着木星运行。”
这项发现使伽利略欣喜若狂：“黑夜，你给我们揭示了多少奇迹啊！”伽利略把他所看到的有关月亮、行星及卫星的许多事实，写成了一本书，名为《星球的使者》，书中他已清楚，哥白尼的学说是正确的。
现在伽利略又把望远镜移向了金星和水星，又一奇迹出现了；金星和水星也不是发光的物体。他观察了好多个夜晚，看到他们都有缓慢的变化：晚上或黎明前，常常见到金星和水星离太阳很近。当它们处于太阳的这—边时，其形状不是圆的。为什么呢？因为太阳只照射在这两颗行星的表面，而地球上的人们则处在它们的背面。当这两颗行星绕到太阳对一边时，它们呈圆形，但要显得小一些，因为它们距离地球很远。金星离我们最近，它反射出的光看起来最亮。只有金星和水星运行在地球和太阳之间，所以也只有它们会改变形状。
伽利略很兴奋，他说：“亚里士多德派的学者们说：‘月球绕地球旋转，因此太阳也一定绕地球旋转’是站不住脚的。”
为了进一步证明哥白尼的“太阳中心说”，从1611年开始伽利略开始研究太阳。他通过望远镜观察后发现，太阳表面有些奇异的黑点。这些黑点缓慢地横移过太阳表面。1613年，他在写给其他天文学家的信中谈到了“太阳黑子”。他写道：“太阳黑子可能是太阳表面或者太阳附近的物质，太阳呆在原地慢慢地旋转，太阳黑子跟着它一起转动。”对太阳黑子移动的观察，证实了太阳是在自转。
伽利略通过一系列的观察，终于证明了哥白尼的理论是千真万确的：太阳是太阳系的中心，月亮绕着地球，木星的4颗卫星绕着木星，地球、木星和其他行星绕着太阳转。
这一下，可激怒了亚里士多德派的信徒们，他们联合起来向罗马宗教法庭控告伽利略。
“伽利略这个人太危险了，他公开支持哥白尼的学说，竟说地球中心说是错误的，可是教会一直是承认地心说的。如果对他听之任之，人们就都会相信他的胡言乱语，教会的威信和地位就要动摇了。”
伽利略被传唤到罗马，宗教法庭最后给他下了一道命令：“今后你无论在讲课或写作中，不许再讲授哥白尼的学说，更不许把它说成是绝对事实。”
伽利略很清楚，如果不顾教会的警告，继续公开宣传地动说，定会被抓进监狱，这样就再也没有办法从事研究了。他想暂时不再发表著述，先埋头于研究，他要为自己的学说找到更充分的科学根据。
有好几年的光景，他默默地忙碌着。白天做实验，晚上观察星星，几乎每天晚上他都把行星和月亮的情况记录在书本上。经过几年的科学积累，一部伟大的著作正在他的脑海中酝酿。
他把书定名为《关于两种世界体系的对话》，以三个人巧妙而幽默的对话形式，反映出当时天文学界存在的两种主要学说，他要把它写成一篇公正和诚实的报告，让每一位受过教育的人自己去辨别谁是对的，谁是错的。
他写得很慢，好多次因为生病不得不搁下笔，躺到床上。5年的时间过去了，这部凝聚着伽利略晚年心血和汗水的科学著作终于脱稿了，老人那疲倦不堪的脸上露出了欣慰的笑容。但他没有想到两年后当这部伟大的著作问世时，他又一次被传唤到罗马宗教法庭。
已年近70的伽利略，此时正在病中，宗教法庭不顾老人长途跋涉后的疲惫和病弱，对他进行了连续不断的审讯，企图迫使伽利略抛弃自己的“邪说”，不再相信和宣传哥白尼的地动说。精神和身体都受到严重摧残的伽利略已神志恍惚，他强撑着发抖的身体去接受法庭对他的最后判决：伽利略于罗马教廷受审“伽利略，现年70岁……违背教义，宣传地球运动的邪说……判处伽利略终身监禁……从此不得以任何语言或著作，去支持、维护或宣扬地动邪说。”接着强迫已无力抗争的伽利略在判决书上签了字。当他的朋友们搀扶着这位精疲力竭的老人离开宗教法庭时，他还喃喃自语地说：“但是地球确实在运动啊！”
被囚禁后的伽利略并没有被征服，他在74岁高龄时又写下了另一部更有代表性的著作《关于两种新科学的对话》，阐述了物理学上运动的基本概念和规律，矛头直指亚里士多德的物理学偏见。
这部书完稿后的第二年，由于长期使用望远镜进行观察，伽利略双目失明了。面对着眼前的一片黑暗，他没有停止他的研究和斗争。他将自己已经研究和尚未研究的科学内容口述给他的学生，希望这些更年轻的一代人去完成他未完成的事业，传播他已发现的科学真理，揭示他未能揭示的宇宙之谜。
1642年1月8日，这位伟大的学者离开了人世，但他那为发现真理和宣传真理进行不懈斗争的精神，直至今天仍为后人传诵着。
随着时间的流逝，历史终于对伽利略这位伟大的科学家做出了公正的裁判。1979年，罗马教廷宣布重新审查对伽利略的判决书。1980年，专门成立了一个调查这一案件的委员会。
1983年，这个委员会在一本名为《伽利略·伽利莱伊》文集中公布了审查结果。该书的主编保罗一普帕尔主教写道：“给伽利略定罪的法官犯了错误。”至此伽利略的这一沉冤终于得到昭雪。