דיאלוג על שתי מערכות העולם המרכזיות
כתבים קודמים והוצאת הספר לאור

עבודתו המדעית הראשונה של גלילאו פורסמה בשנת 1610 תחת השם "Sidereus Nuncius" ("השליח הכוכבי"), זוהי חוברת קצרה הסוקרת אלמנטים אסטרונומיים. למעשה, מדובר בסקירה מדעית ראשונה בהיסטוריה בה הוצגו תוצאות של תצפיות באמצעות טלסקופ. בין הדברים שהופיעו בפרסום זה: הרים על הירח, מאות כוכבים שלא ניתן היה לראות בעין בלתי מזוינת בכל שביל החלב, וקבוצות 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, בשנת 1615, פורסמה ה"איגרת לכריסטינה די לורנה", שם הוצג הרעיון שהארץ חגה סביב השמש.
במשך מספר שנים, החל ב-1616 נאסר על גלילאו להגן על התאוריה ההליוצנטרית של קופרניקוס. בשנת 1618, בעקבות הופעת כוכב שביט, התפרסם ספרו "שיחות על השביט". בספר זה, למרות האיסורים, פירש גלילאו את הופעת השביט תוך שימוש בהיבטים של התאוריה הקופרניקאית. ב-1620 פורסם מחדש הספר של קופרניקוס "על הקפות כיפות השמיים" ובו תיקונים וחידושים.
בשנת 1623 פרסם גלילאו את ספרו "מאזני הצורפים" שזכה להצלחה. באותה שנה מונה לאפיפיור (אורבנוס השמיני) ידידו ופטרונו של גלילאו, החשמן הפלורנטני ברבריני. השינויים שהתחוללו ברומא בזמנים האלו הביאו לפתיחות מצד הכנסייה הקתולית, והאינדקס של הכנסייה לא מנע דיון בתאוריה ההליוצנטרית, בתנאי שתאוריה זו תוצג כשיקול תאורטי בלבד ולא כמציאות פיזיקלית.
כשנה לאחר צאתו של הספר "מאזני הצורפים" החל גלילאו בכתיבת הספר "דיאלוג", 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, מוסדות 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 "דיאלוג אודות שתי מערכות העולם הראשיות", שנית, צורף לספר 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. לכן, למרות שהתאוריה הקופרניקאית נראית 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 זכה הספר להצלחה ולהערכה רבה. מאידך החלו להישמע תלונות על הספר, ותלונות אלה הובילו למשפט האינקוויזיציה נגד גלילאו, שבסופו הוא נדרש להתכחש לתאוריה ההליוצנטרית. כמו כן נאסר עליו לפרסם כל דבר והוא נידון למאסר (שהומר למעצר בית) ללא הגבלת זמן. את שארית חייו בילה גלילאו במעצר בית בווילה שלו ליד פירנצה.
בשנת 1638, 4 שנים לפני מותו, פורסם ספרו האחרון של גלילאו "שני מדעים חדשים", המכיל את ממצאיו הפיזיקליים במשך 30 שנה. הספר הוברח להולנד ופורסם שם.