1609年7月，盛傳有一荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。但是，伽利略未見到實物，他透過別人的一點描述，憑著自己獨特的天賦，經過刻苦鑽研和實驗，用風琴管和凸凹透鏡各一片製成一具望遠鏡，倍率為3，後又提高到9。他邀請威尼斯的參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景，觀者無不驚喜萬分。參議院隨後決定他為帕多瓦大學的終身教授。



1610年初，他又將望遠鏡放大率提高到33，用來觀察日月星辰。1月7日，伽利略的新發現甚多：比如月球表面並不象亞里士多德所說的那樣平滑，而是呈現不規則的凹凸起伏，並親手繪製了第一幅月面圖；銀河也不是人們所說的銀白的雲彩，而是由千千萬萬顆暗淡的星星所組成的。地球並不是各個天體旋轉的唯一中心；太陽上面有黑子；木星旁邊有四顆運轉著的衛星；土星有多變的橢圓外形的光環……等等，這些結果，都有力地支援了哥白尼的太陽中心說（“日心說”——

即地球和所有行星都圍繞太陽執行。）標誌著哥白尼學說開始走向勝利。

1610年初，他又將望遠鏡放大率提高到33倍， 發現木星旁邊有四個衛星，在圍繞著木星運轉。

除此之外，伽利略還用望遠鏡觀察到太陽的黑子，他透過黑子的移動現象推斷，太陽也是在轉動的；銀河 是無數發光體的總彙；土星有多變的橢圓外形，隨後又發現金星盈虧與大小變化等等。 伽利略把他的天文發現編成《星體通報》向世界報道，立刻引起知識界的震驚。

月亮！1609年,伽利略創制了天文望遠鏡（後被稱為伽利略望遠鏡）,並首先用來觀測天體,他發現了月球表面的凹凸不平,並親手繪製了第一幅月面圖。

伽利略，第一次用望遠鏡指向星空，其中自然包括月球，細緻的觀察了月面的地形地貌，發現月球並不如古人所想的“是有完美的第五元素構成，而表面的陰影是地面的低等元素蒸騰而在月球表面凝結所形成的（亞里士多德學派之觀點）”。