Sus aportes en el terreno de la astronomía y el estudio del universo no fueron menos importantes y quedaron recogidas en obras como:
- El mensajero sideral (1610),
- Historia y demostraciones sobre las manchas solares y sus accidentes (1613) y
- Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo (1632).
A partir de 1609, Galileo perfeccionó el catalejo, un instrumento óptico de reciente invención, hasta llegar a obtener un telescopio de sesenta aumentos.
El instrumento, que hasta entonces sólo había sido utilizado con fines prácticos, como la navegación y la guerra, se transformó en sus manos en un poderoso medio para el estudio del cielo:
Galileo exploró el firmamento y llegó a conclusiones que revolucionaron profundamente la manera de entender el orden del universo.
En contra de la creencia general, mostró que la superficie de la Luna no era cristalina, sino que estaba cubierta de cráteres y montañas, con lo que quedaba refutada la idea aristotélica de la absoluta perfección de los astros.
La misma consecuencia tenía el descubrimiento de las manchas solares; su detenida observación le permitió además determinar el período de rotación del Sol y la dirección de su eje.
Galileo descubrió, asimismo, los cuatro satélites mayores de Júpiter, cuya existencia evidenciaba que no todos los astros giraban alrededor de la Tierra, siendo posibles los subsistemas rotatorios; y estableció acertadamente a partir de su observación que la Vía Láctea, que había sido siempre fuente de desconcierto y especulaciones entre los astrónomos, no era más que un conjunto de innumerables estrellas.
Sus observaciones desmintieron también la existencia de la octava esfera celeste en que se hallaban las estrellas: a través del telescopio y una serie de conjeturas le condujeron a la certera suposición de un universo muchísimo más extenso del concebido hasta entonces.
La defensa del modelo heliocéntrico de Copérnico le valdría contar con un papel fundamental que había desempeñado en la edificación de la moderna visión del universo.
Sus descubrimientos tendrían una decisiva trascendencia científica e incluso filosófica, ya que, al ponerse de manifiesto que el universo era más complejo y más extenso de lo que se había imaginado hasta entonces, las teorías cosmológicas vigentes se desmoronaron.