Galileusz pierwszy systematycznie stosował metodę doświadczalną w badaniu zjawisk przyrody. Od jego czasów indukcyjne wnioskowanie z doświadczeń zastąpiło teleologię scholastyków jako przewodnią zasadę nauk przyrodniczych.
W latach 1595-1598, Galileusz udoskonalił tzw. "kompas geometryczny i wojskowy" nadający się do wykorzystania przez mierniczych i wojskowych. Za jego pomocą można było dokładniej ustawiać działa do strzału oraz obliczyć odpowiednią ilość prochu dla wystrzelenia danej kuli armatniej.
Około roku 1606-1607, Galileusz skonstruował termometr. Wykorzystując ruch powietrza wypierającego wodę w naczyniu szklanym.
W 1609 r. Galileusz był jednym z pierwszych, którzy używali teleskopu do obserwacji gwiazd, planet i księżyca.
W 1610 r. wykorzystując części teleskopu skonstruował ulepszony mikroskop.
7 stycznia 1610 - odkrył księżyce Jowisza - Io, Europa, Kallisto 11 stycznia 1610 - odkrył kolejny księżyc Jowisza - Ganimedesa
Pozostawił po sobie także wiele projektów wynalazków, których nie zrealizował jak np. połączoną świecę z lustrem do odbijania światła wewnątrz budynku, urządzenie do zbioru owoców i przyrząd do pisania przypominający długopis oraz wiele innych.
Zwolennik heliocentrycznej budowy świata i teorii Mikołaja Kopernika. W 1616 komisja papieska nakazała mu porzucenie poglądu o ruchu Ziemi. Galileusz jednak nie zrezygnował i w 1632 wrócił do problemu publikując "Dialog o dwóch najważniejszych systemach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym. W 1633 r. inkwizycja potępiła i skazała 70-letniego wówczas Galileusza na dożywotnie więzienie za to, iż uparcie popierał i głosił tezy Kopernika. To jemu przypisuje się słowa eppur si mouve – "a jednak się kręci". W obliczu tortur i okrutnej śmierci załamał się i odwołał swoje tezy, które uznał za "absurdalne" i "potępione". Kartezjusz, przebywając w Holandii, napisał dzieło "Traktat o świecie", które zniszczył na wieść o skazaniu Galileusza.
Więzienie zostało później zamienione na areszt domowy na wsi pod Florencją, połączony z zakazem spotykania się z innymi naukowcami. Pomimo nadwątlonego zdrowia, nadal zajmował się nauką, odkrył librację Księżyca, zbudował pierwszy zegar wahadłowy. W 1637 stracił wzrok. W 1638 ukazały się słynne Discorsi e dimostrazioni matematiche in torno a due nuove scienze (Rozmowy i dowodzenia matematyczne z zakresu dwóch nowych umiejętności), najważniejsze dzieło Galileusza, obejmujące jego odkrycia w mechanice.
Zmarł 8 stycznia 1642 roku w Arcetri.