דיאלוג על שתי מערכות העולם המרכזיות

כתבים קודמים והוצאת הספר לאור

עבודתו המדעית הראשונה של גלילאו פורסמה בשנת 1610 תחת השם "Sidereus Nuncius" (בתרגום חופשי מלטינית "הכוכבים המודיעים") זוהי חוברת קצרה הסוקרת אלמנטים אסטרונומיים. למעשה, מדובר בסקירה מדעית ראשונה בהיסטוריה בה הוצגו תוצאות התצפיות באמצעות טלסקופ. בין יתר הדברים שהופיעו; הרים על הירח, מאות כוכבים שלא ניתן היה לראות בעין בלתי מזוינת בכל שביל החלב או קבוצות כוכבים מסוימות.
בשנת 1613 כתב גלילאו את ה"מכתב על כתמי השמש" שם התוודה על תמיכתו במודל ההליוצנטרי. בספר זה קבע כי ישנם הסברים מדעיים הלקוחים מתוך המתרחש על פני כדור הארץ לתופעות השמימיות ולכן אין הבדל בין החוקים ששולטים בארץ לאלה ששולטים בשמיים. כשנתיים לאחר מכן, 1615, פורסם מכתב נוסף שכתב, "מכתב לדוכסית קריסטינה", שם ניסח מחדש פרשנות לפסוקים שונים מהכתבים. הוצג הרעיון שלפיו לא ניתן לקבוע שהארץ לא חגה סביב השמש.
במשך מספר שנים, החל מ-1616 נאסר על הגנת התאוריה הקופרניקאית, בהתאם, נמנע גלילאו מלהתייחס בפומבי לתאוריה זו. בשנת 1618, בעקבות הופעת כוכב שביט, התפרסם ספרו "שיחות על השביט". בספר זה, למרות האיסורים, בחר גלילאו לפרש את הופעת השביט בהיבטים מהתאוריה הקופרניקאית ולא במושגים השמרניים. ב-1620 פורסם מחדש הספר של קופרניקוס "מחזורי המעגלים השמימיים" ובו תיקונים וחידושים. 
גלילאו הבין כי הוא יכול לדון בתאוריה מבחינה אסטרונומית ופיזיקלית ובתנאי שאינו טוען כי כדור הארץ אכן נע סביב השמש. לכן, בשנת 1623- פרסם את ספרו "מאזני הצורפים" שזכה להצלחה. באותה השנה ידידו ופטרונו של גלילאו, החשמן הפלורנטני ברבריני, מונה לאפיפיור. השינויים שהתחוללו  ברומא בזמנים האלו הביאו לפתיחות הדעת מצד הכנסייה הקתולית והביאו לכך שספר על התאוריה ההליוצנטרית יתקבל על ידי הכנסייה. האינדקס של הכנסייה לא מנע את הדיון בתאוריה ההליוצנטרית אך אסר להציגו כעובדה מוגמרת.
כשנה לאחר צאתו של הספר "מאזני הצורפים" גלילאו החל בכתיבת הספר "דיאלוג על גאות ושפל"  בו הראה כי מבחינה פיזיקלית התאוריה התלמאית חלשה מהתאוריה הקופרניקאית, והאחרונה אף מסבירה את תופעת הגאות והשפל. כתיבת הספר "הדיאלוג" נמשכה מעל ל-5 שנים. בשנת 1630, עם סיום כתיבת הספר, גלילאו נסע לרומא במטרה לפרסמו. בחירתו של גלילאו ברומא נבעה מהנחתו שקשריו עם גורמים בצמרת הכנסייה לרבות האפיפיור יקלו במתן אישור להוצאת הספר לאור. כמו כן, גלילאו היה חבר באקדמיה הליצ'אנית ובראשה עמד הנסיך צ'סי שהבטיח לטפל בהוצאה לאור. 
לא כך היו פני הדברים, בפועל, המוסדות של הכנסייה דרשו לערוך תיקונים בספר. באופן מצער, כ-3 חודשים לאחר שהוחזק הספר בידי הצנזור הרומי נפטר הנסיך צ'סי. גלילאו העדיף להוציא את הספר בפירנצה, אך בשל חסימת הדרכים לרומא (עקב מגפה) לא ניתן היה להעביר את כתב היד כולו מרומא לפירנצה. 
בסופו של דבר, אושרה הוצאת הספר תחת מס' הגבלות בהוראת הצנזורה מרומא; ראשית שונה שם הספר לשמו הידוע "הדיאלוג אודות שתי מערכות העולם המרכזיות", שנית, נוסח פתח דבר המבהיר כי כדור הארץ אינו נע. בסיום הספר מציג גלילאו את טענת האפיפיור אורבנוס השביעי לפיה האדם תמיד מוגבל בהבנתו את פני הדברים. מכך, למרות שהתאוריה הקופרניקאית נראית לאדם משכנעת יותר, הארץ אכן נחה במרכז השמים כפי שידוע מכתבי הקודש. בחלקיו הפנימיים של הספר לא מוזכרות טענות אלה, אלא רק הטענות הפיזיקליות שטוענות לתנועת כדור הארץ. 
הספר ראה אור רק בשנת 1631, כשנה מיום סיום כתיבתו, לאחר שאושר לפרסום בפירנצה. הדפסתו והפצתו החלו בפברואר 1632. עם פרסומו, הספר זכה להצלחה ולהערכה רבה ומאידך החלו להישמע תלונות על הספר, אשר הובילו למשפט של האינקוויזיציה שם הוא נדרש לכפור בדעתו ולשוב ולתמוך בתורת אריסטו.
בשנת 1638, 4 שנים לפני מותו, פורסם ספרו האחרון של גלילאו "שני מדעים חדשים" שכיסה רבות מממצאיו הפיזיקליים מ-30 השנים שקדמו לספר.