Entre sus logros más destacados se encuentra su propia adaptación de un nuevo instrumento de la época, el telescopio, con el que observó la Luna, descubrió cuatro satélites de Júpiter, distinguió estrellas en zonas nebulares, estudió las manchas solares y observó las fases (similares a las de la Luna) de Venus. Las observaciones hechas por Galileo y sus colegas científicos revelaron fenómenos en el cielo insospechados hasta entonces y tuvieron un profundo impacto en la controversia del siglo XVII entre los seguidores de la astronomía geocéntrica y los que se inclinaban por el modelo heliocéntrico de Copérnico.
Galileo también adaptó y mejoró la pantómetra o compás de proporciones. Ideó un método experimental para medir la velocidad de la luz, haciendo que dos observadores con sendas linternas (o faroles) provistas de postigos observaran la linterna del otro observador desde una distancia; no obstante, no pareció encontrar resultados concluyentes en uno u otro sentido. Asimismo propuso el principio básico de la relatividad, por el que las leyes de la física son las mismas en cualquier sistema que se mueva a una velocidad constante en línea recta, independientemente de su velocidad o dirección. De este modo, no existe el movimiento absoluto o el reposo absoluto. Este principio fue el marco básico para las leyes del movimiento de Newton y es fundamental para la teoría especial de la relatividad de Einstein.
Por haber dado a luz al análisis y al pensamiento científico moderno, a Galileo se le ha llamado "el padre de la astronomía observacional moderna", "el padre de la física moderna", "el padre de la ciencia" o "el padre de la ciencia moderna".
