Mens han ikke opfandt teleskopet, forbedrede han dets design markant og brugte det til at gøre banebrydende astronomiske observationer:
* faser af Venus: Galileo observerede faserne af Venus, svarende til månen. Dette kunne kun forklares, hvis Venus kredsede om solen, ikke jorden.
* måner af Jupiter: Galileo opdagede fire måner, der kredsede Jupiter, og viste, at ikke alle himmellegemer drejede sig om jorden.
* solflekker: Han observerede solflekker og bevisede, at solen ikke var perfekt som tidligere troede.
* kratere på månen: Galileos observationer afslørede, at månen ikke var en glat, perfekt sfære, men havde kratere og bjerge, der udfordrede det traditionelle syn på himlen.
Disse observationer gav stærke beviser for den heliocentriske model foreslået af Nicolaus Copernicus, der udfordrede det herskende geocentriske syn, der placerede Jorden i centrum af universet.