1609年，伽利略听说荷兰人发明了望远镜，他通过别人的一点描述，凭着自己独特的天赋，经过刻苦钻研和实验，成功地研制了世界上第一架放大倍数为33倍的天文望远镜。在这架天文望远镜的帮助下，伽利略探索了深邃神秘的天空，在一年之内他就做出了一系列重大的发现：月球表面并不象亚里士多德所说的那样平滑，而是呈现不规则的凹凸起伏。银河也不是人们所说的银白的云彩，而是由千千万万颗暗淡的星星所组成的。木星旁边有四颗运转着的卫星;地球并不是各个天体旋转的唯一中心。太阳上面有黑子;土星周围有光环……所有这些结果，都有力地支持了哥白尼的太阳中心说(“日心说”)：即地球和所有行星都围绕太阳运行。
1610年，伽利略出版了他的《星际使者》，向全世界宣布了他的上述发现。人们惊讶地说：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”1611年，伽利略在《关于太阳黑子的通信》中，肯定太阳是宇宙的中心，维护哥白尼的“日心说”。他竭力想分清宗教和科学的界限，认为前者属于人们的道德行为范围，后者属于自然界和人的关系的范围。他指出，天体的永恒，只是相信亚里士多德哲学的教士们自己的看法，而不是天主教的教义。
然而，当时势力强大的教会反对哥白尼的“日心说”。他们认为地球是宇宙的中心，太阳是围绕地球转动，而地球是不动的。因此教会在1616年给伽利略下了一道禁令，不准讲授哥白尼的学说。伽利略为此烦恼不已。1623年，伽利略冒险开始他最有名的著作——《关于两种世界体系之间的对话》的写作。
同时他6次请求教皇乌尔班接见他。他小心翼翼地向教皇介绍哥白尼学说的书籍，教皇同意他把对“日心说”赞成和反对的论点一起写出来，但不允许他得出地球是绕着太阳旋转的结论。随后的6年时间里，他完成了他的杰作。在书中他巧妙地阐明了自己支持哥白尼学说的证据，而反对哥白尼“日心说”的人的辩解却愚蠢而无力。伽利略把哥白尼的学说当作“一种纯数学假说来叙述”。