kisinden de önce David Fabricius ve oğlu Johannes bunu keşfetmişti. Scheiner Kepler'in 1615'teki teleskop dizaynını benimsedi; bu dizayn daha fazla yakınlaştırma ancak ters resimler sunuyordu. Galileo bu dizaynı hiç kullanmadı.

Galileo teleskopunu yapmadan önce Thomas Harriot, İngiliz matematikçi ve gezgin, ayı gözlemlemek için 'perspektif tüpü'nü kullanmıştı. Bu gözlemlerde ayın hilalindeki garip noktaları tanımlayan Harriot nedenini anlamamıştı. Chiaroscuro ve sanatsal bilgisi sayesinde Galileo, bu ışık ve gölge desenlerinin topografik işaretler olduğunu, ve nedeninin ayın yüzdeyindeki dağlar ve kraterler olduğunu anladı. Çalışmasında topografik grafiklerle dağların yüksekliğini tahmin etti. Böylece ayın ne bir gezegen, ne de şeffaf ve mükemmel bir küre olduğu anlaşıldı (Dante: “gök kubbeye muhteşem bir şekilde yükselen ebedi bir inci”).

Galileo Samanyolu'nu gözlemledi ve önceki gibi bulutsal olmadığını, birçok yıldızın bir arada olduğu için öyle gözüktüğünü buldu. Çıplak gözle görülemeyecek kadar uzak olan birçok yıldız keşfetti. 1617'de Büyük Ayı'daki çift yıldız Mizar'ı izledi.

Sidereus Nuncius'ta Galileo yıldızların saf bir ışık alevi olduğunu ve teleskopta görüntülerinin değişmediğini, buna karşılık gezegenlerin disk şeklinde gözüktüğünü yazdı. Ancak kısa bir süre sonra güneş lekeleri hakkındaki yazılarında gezegenlerin de yuvarlak olduğunu yazdı. Bu noktadan sonra teleskopların yıldızların yuvarlaklığını gösterdiğini ve bunların çapının birkaç ark saniyesi olduğunu savundu. Ayrıca teleskop olmadan bir yıldızın görünen büyüklüğünü ölçmek için bir yöntem geliştirdi. Diyalog'da anlattığı gibi bu yöntem, yıldızla arasına bir ip asmak ve yıldızın gözden kaybolduğu maksimum mesafeyi not almaktı. İpin kalınlığı ve bu uzaklıktan yıldızın görüş noktasında yansıttığı açıyı bulabiliyordu. Diyalog'da ilk büyüklükten bir yıldızın en fazla 5 arksaniye büyüklüğünde, altıncı büyüklükten bir yıldızın ise 5/6 arksaniye olduğunu yazdı. Birçok çağdaş astronom gibi Galileo da ölçtüğü büyüklüklerin yapay olduğunu ve atmosferin ışığı bükmesinden meydana geldiğini fark etmedi. Galileo'nun bulguları yine de Tycho'nun en parlak yıldızların ölçümlerinden daha azdı ve Galileo'nun anti-Kopernikçi argümanlara bu yıldızların yıllık paralakslarının ölçülemez olması için aşırı büyük olmaları gerektiği şeklinde cevap verdi. Başka astronomlar (Simon Marius, Giovanni Battista Riccioli, Martinus Hortensius) da benzer ölçümler yaptı ve Marius ve Riccioli daha küçük büyüklükler bulunmasının Tycho'nun argümanını yalanlamak için yeterli olmadığına karar verdi.

Galileo fiziğe yaptığı katkıların yanı sıra mühendisliğe de katkılarda bulunmuştur. 1595 ve 1598 yılları arasında Galileo Geometrik ve askeri bir pusula geliştirmiştir. Bu pusula topçular ve silahşörler tarafından kullanılmıştır. Bu cihaz  Niccolò Tartaglia  ve Guidobaldo del Monte yaptığı aletin geliştirilmiş halidir. Bu cihaz top kullanımı daha keskin ve daha güvenli bir hale getirdi. Barutun türüne ve top güllelerinin cinsine göre ne kadar barut koyacaklarını hesaplayabiliyorlardı. Geometrik bi cihaz olaraksa, herhangi bir çokgen şeklin ya da çember şeklin ve benzeri hesapların yapılmasında kullanılıyordu. Galileo’nun direktifleri altında  Marc'Antonio Mazzoleni bu cihazlardan yüzden fazla üretmiştir. Galileo cihaz için elli lire, kullanım kılavuzu için ise 120 lire istemiştir.

1593 yılında Galileo bir termometre geliştirmiştir. Bu termometre bir tüpün içerisindeki hava baloncuklarının genişlemesi prensibi ile çalışmaktadır.

1609 yılında bir İngiliz olan Thomas Harriot ve diğerleri ile beraber mercekli teleskop ile ilk gözlemini yaptı. Teleskobu kullanarak ayı,yıldızları ve gezegenleri gözlemledi. Teleskop ismi Yunanca “Tele” yani uzak ve “skopein” bakmak, görmek kelimelerinin birleşmesi ile ortaya çıkmıştır. 1610 yılında teleskobu ayrıca böcekleri parçalarını incelemek için kullandı

1624 yılında Galileo mikroskop benzeri bir cihaz geliştirdi. Bu cihazlardan birtanesini o yılın mayıs ayında Bavyara dükü olan Cardinal Zollern’e tanıtması için verdi. Başka bir tanesini ise eylül ayında Prens Cesi’ye yolladı. Linceans üyesi olan Giovanni Faber Galileo'nun icadına Yunanlar tarafından üretilmiş olan mikroskope adını taktı. Mikro Yunanca’da küçük Skopein ise bakmak anlamına geliyordu. Bu kelime yapı olarak teleskopa benziyordu. Galileo mikroskobu kullanarak böcek çizimleri yapıp bunu 1625 yılında yayınlamıştır, mikroskobun kullanılması ilk olarak bu çizimlerle belgelenmiştir.

1612 yılında Galileo jüpiterin uydularının belli periyotlarla döndüğünü tespit etti, eğer yörüngeleri ile ilgili yeterince bilgi toplayabilirse pozisyonlarını evrensel saate göre hesaplayabilceğini öne sürdü. Ve bu sayede tul dairesini belirliyebilmeyi olası kılıyordu. Zaman zaman bunun üzerine çalışıyordu fakat pratik olarak birkaç problem vardı. Bu metot ilk defa 1681 yılında Giovanni Domenico Cassini taradından başarılı bir şekilde uygulanıldı ve sonrasında Fransa’da ve Orta Amerika’da da kullanıldı. Deniz ulaşımında yol bulmak için, teleskobik gözlem yapmapıp tul dairesini bulmak çok zordu ve bunu olası kılmak üzere John Harrison tarafından Marine chronometer geliştirildi.

Hayatının ilerleyen safhalarında Galileo tam anlamıyla kör olduğunda, sarkaç saati için bir saat maşası dizayn etti. Fakat bu maşa 1650 yılında Christiaan Huygens tam anlamıyla çalışan sarkaç saatini yapana kadar kullanılmadı.

Galileo teorik ve deneysel olarak Kepler ve Rene Decartes’ten bağımsız olarak hareket eden cisimler üzerinde çalışmalar yaptı. Bu çalışmalar ileride Newton tarafından klasik fizik adı altında geliştirilicektir. Galileo sarkaçlarla alakalı deneyler yaptı. Genel bir inanışa göre Pisa kulesindeki şamdanın sallanmasını kendi kalp atışını kullanarak izlemesiyle başlamıştır. Two New Sciences kitabında diğer deneylerinden bahsetmiştir. Galileo basit sarkaçların izokron oldukları iddiasında bulunmuştur. Bu salınımların büyüklüğe bağımsız olarak hep aynı süre zarfında gerçekleştiği anlamına gelmektedir.  Christiaan Huygens’in bulunduğu keşfe gore bu çıkarım doğrudur. Galileo ayrıca sarkacın periyodunun, sarkacın uzunluğu’nun karesi ile doğru orantılı olduğunun farkına varmıştır. Galileo’nun oğlu Vincenzo, babasının 1642 yılındaki teorilerine dayanarak bir saat resmi çizmiştir. Bu saat hiçbir zaman yapılamadı çünkü çok büyük bir Verge escapement parçasına ihtiyaç duyuyordu, ve kötü bir kronometre olurdu.

Çok bilinmemekle birlikte, Galileo sesin frekansı olduğunun farkına varan ilk kişi olmuştur.  Keskiyi farklı hızlarda sürterek, oluşan sesin yüksekliğini keskinin boşluklarıyla bağdaştırarak, frekansı ölçmüştür. 1638 yılında Galileo ışığın hızını ölçmek için deneysel bir yöntem ortaya atmıştır. Ellerinde  ışığı kapatıcak kepenk sistemi ile donatılmış fener bulanan iki gözlemci, belli bir uzaklıktan birbirlerinin fenerlerini gözlerler, ilk gözlemcinin fenerini kapattığını gördüğü anda ikinci gözlemci fenerini kapatır, bu aralıkta geçen zaman iki gözlemci arasındaki zaman ile oranlanıp ışığın hızı bulunur şeklindeydi. Galileo bu deneyi bir buçuk kilometre mesafeden yaptığını fakat ışığın bir anlık görünüp görünmediğini gözlemleyemediğni belirtmiştir. Accademia del Cimento ‘daki bir grup öğrenci Galileo’nun  ölümü ve 1667 arasında ışık deneyinin benzerini bir buçuk kilometrenin üzerinde bir mesafede gerçekliştirmişlerdir ve kifayetsiz sonuçlara ulaşmışlardır. Bugün biliyoruz ki ışığın hızı böyle bir yöntem için çok fazla hızlı kalmaktadır.

Galileo, Galile Değişmezliği’ni ilerletmiştir. Bu değişmeze göre fizik kanunları ne olursa olsun her sistem için aynıdır sabit hız ve düz bir hat üzerinde ilerler, cismin hızının ve yönünün bir önemi yoktur. Buna göre tam anlamıyla hareket ve sabit duruş söz konusu değildir. Bu prensip Newton’un hareket kurallarının ve Einstein’ın özel görecelik teorisinin yapı taşlarını oluşturmuştur.

Galileo’nun öğrencisi Vincenzo Viviani tarafından yazılan biyografide, Galileo Pisa kulesinden attığı farklı ağırlıklı fakat aynı maddeden oluşan topların aynı zamanda yere düştüğünü yazmıştı. Bu durum Aristo’nun düşünceleri ile ters düşmekteydi, o durumun ağırlıkla doğru orantılı olduğunu söylemişti. Bu deney hikâyesi birçok kez tekrar anlatılmıştır, fakat Galileo’nun deney hakkında hiç bahsetmemiştir ve birçok tarihçi bu deneyin hiç gerçekleşmediğini Galileo’nun aklından gerçekleştirdiği bir deney olduğunu düşünmektedir. Bir istisna olarak Drake, deneyin az çok Viviani’nin bahsettiği gibi  gerçekleştiğini düşünmektedir. Bu deneyin asıl olarak 1956 yılında  Simon Stevin tarafından  adhering to the standards of the day. Delft’deki kilisenin kulesinde yapılmıştır. Ancak yaptığı deneylerde eğimli yüzey kullanmıştır buda hem zamanlamada hem de hava sürtümesinde azalmaya neden oluyordu.

1638 yılında Galileo’nun Discorsi de bulunan karakteri Salviati, Galileo’nın sözcüsü , kütleleri aynı olmayan cisimlerin havasız ortamda aynı hızda düşeceğini öne sürmüştür. Fakat bu fikir daha öncesinde Lucretius ve Simon Stevin tarafından öne sürülmüştür. Cristiana Banti sarkaçlar ile yaptığı deneyde ağırlıkların farklı olmasına rağmen hareketlerin birbirine benzer olduğunun farkına varmıştır.

Galileo düşen bir cismin ivmesinin düzenli olduğunu öne sürmüştür, tabi bu durum vakumlu bir alanda düşerken veya düşerkenki direnç orta düzeyde ya da yok sayıldığında geçerliydi. Ayrıca Galileo, ivme altındaki cisimlerin aldığı mesafenin hesaplanmasını sağlayacak bir kinematik yasa üretmiştir-alınan yolun ,zamanın karesi ile doğru orantılı olduğu( "d" ∝ "t"  ). Galileo’dan önce, 14. Yüzyılda Nicole Oresme, düzenli ivmede zamanın karesi formülünü üretmiştir ve 16. Yüzyılda Domingo de Soto homojen bir ortamda cisimlerin düzgün hızlarak düştülerini öne sürmüştür. Galileo zamanın karesi kuralını, o günün standartlarındaki matematik ve geometrik kurallarla açıklamıştır.

Ayrıca cisimlerin bir engel bulunmuyorsa hızlarını koruduğunun kanısına varmıştır, sonuç olarak Aristonun ortaya koyduğu “doğal olmayan hareket” “zorla oluşan hareket” g