A pisai születésű Galileit a természettudományos kérdések izgatták, de apja kívánságára a pisai egyetem orvosi karára iratkozott be. A zenében is kitűnt, ragyogóan játszott lanton, írói vénával is rendelkezett, ugyanakkor türelmetlen és összeférhetetlen, éles nyelvű ember volt, aki könnyen szerzett magának ellenségeket.
A legenda szerint még egyetemistaként egy misén a mennyezetről lógó csillárt nézve vette észre, hogy annak lengésideje ugyanakkora maradt, akár nagyot, akár kicsit tért ki. Hazatérve kísérletezni kezdett és megállapította, hogy kis kitérésnél a lengés nem függ a kitérés amplitúdójától, csak az inga hosszától. Apja ezután megengedte, hogy a matematikai fakultásra iratkozzon át.
Galilei volt az első, aki a kísérleteket és a matematikai elemzéseket együtt alkalmazta, „Isten nem kívánhatja, hogy lemondjunk érzékszerveink és értelmünk használatáról a természet közvetlenül tapasztalt dolgaiban” – írta. 1589-ben megcáfolta Arisztotelész tételét a különböző súlyú testek esésének különböző sebességéről.
Az elterjedt legenda szerint a pisai ferde torony tetejéről ejtett le két ágyúgolyót, és hiába volt az egyik tízszer nehezebb, egyszerre értek földet – a valóságban azonban egy ferde lejtőn gurított le különböző súlyú tárgyakat. Arra is rájött, hogy a gyorsulás az idő négyzetével arányos, és hogy a testek megőrzik sebességüket, amíg egy másik erő nem hat rájuk. Azt is bizonyította, hogy egy testre egy időben két erő is hathat, megmagyarázva a kilőtt ágyúgolyók parabolapályáját.
Miután tudomást szerzett a holland Hans Lippershey távcsövéről, ő is készített egyet, ennek nagyítása azonban már harminckétszeres volt. Eszközével megfigyelte a Hold hegyeit, megállapította, hogy a Tejutat csillagok sokasága alkotja, felfedezte a Jupiter négy holdját, a Szaturnusz gyűrűit, a Vénusz fázisait és a napfoltokat. Tapasztalatai végképp meggyőzték a heliocentrikus világkép igazáról, először 1612-ben foglalt nyilvánosan állást Arisztotelész ellen. (Felfedezése olyannyira előremutató volt, hogy például a Ganümédésznek, a Jupiter legnagyobb holdjának feltérképezésével csak napjainkban készültek el.)