整整一個通宵，伽利略終於明白，把凸透鏡和凹透鏡放在一個適當的距離，就像那個荷蘭人看見的那樣，遙遠的肉眼看不見的物體經過放大也能看清了。
伽利略非常高興。他顧不上休息，立即動手磨製鏡片，這是一項很費時間又需要細心的活兒。他一連幹了好幾天，磨製出一對對凸透鏡和凹透鏡，然後又製作了一個精巧的可以滑動的雙層金屬管。現在，該試驗一下他的發明了。
伽利略小心翼翼地把一片大一點的凸透鏡安在管子的一端，另一端安上一片小一點的凹透鏡，然後把管子對著窗外。當他從凹透鏡的一端望去時，奇蹟出現了，那遠處的教堂彷彿近在眼前，可以清晰地看見鐘樓上的十字架，甚至連一隻在十字架上落腳的鴿子也看得非常逼真。
伽利略製成望遠鏡的訊息馬上傳開了。“我製成望遠鏡的訊息傳到威尼斯”，在一封寫給妹夫的信裡，伽利略寫道：“一星期之後，就命我把望遠鏡呈獻給議長和議員們觀看，他們感到非常驚奇。紳士和議員們，雖然年紀很大了，但都按次序登上威尼斯的最高鐘樓，眺望遠在港外的船隻，看得都很清楚；如果沒有我的望遠鏡，就是眺望兩個小時，也看不見。這儀器的效用可使50英里的以外的物體，看起來就像在5英里以內那樣。”
伽利略發明的望遠鏡，經過不斷改進，放大率提高到30倍以上，能把實物放大1000倍。現在，他猶如有了千里眼，可以窺探宇宙的秘密了。
這是天文學研究中具有劃時代意義的一次革命，幾千年來天文學家單靠肉眼觀察日月星辰的時代結束了，代之而起的是光學望遠鏡，有了這種有力的武器，近代天文學的大門被開啟了。
現在，每當星光燦爛或是皓月當空的夜晚，伽利略便把他的望遠鏡瞄準深邃遙遠的蒼穹，不顧疲勞和寒冷，夜復一夜地觀察著。
過去，人們一直以為月亮是個光滑的天體，像太陽一樣自身發光。但是伽利略透過望遠鏡發現，月亮和我們生存的地球一樣，有高峻的山脈，也有低凹的窪地 （當時伽利略稱它是“海”）。他還從月亮上亮的和暗的部分的移動，發現了月亮自身並不能發光，月亮的光是透過太陽得來的。
伽利略又把望遠鏡對準橫貫天穹的銀河，以前人們一直認為銀河是地球上的水蒸汽凝成的白霧，亞里士多德就是這樣認為的。伽利略決定用望遠鏡檢驗這一說法是否正確。他用望遠鏡對準夜空中霧濛濛的光帶，不禁大吃一驚，原來那根本不是雲霧，而是千千萬萬顆星星聚集一起。伽利略還觀察了天空中的斑斑雲彩——即通常所說的星團，發現星團也是很多星體聚集一起，像獵戶座星團、金牛座的昂星團、蜂巢星團都是如此。
伽利略的望遠鏡揭開了一個又一個宇宙的秘密，他發現了木星周圍環繞著它運動的衛星，還計算了它們的執行週期。現在我們知道，木星共有 16顆衛星，伽利略所發現的是其中最大的四顆。除此之外，伽利略還用望遠鏡觀察到太陽的黑子，他透過黑子的移動現象推斷，太陽也是在轉動的。
一個又一個振奮人心的發現，促使伽利略動筆寫一本最新的天文學發現的書，他要向全世界公佈他的觀測結果。1610年3月，伽利略的著作《星際使者》在威尼斯出版，立即在歐洲引起轟動。
但是，他沒有想到，望遠鏡揭開的宇宙的秘密大大觸怒了很多人，一場可怕的厄運即將降臨在這位傑出的科學家的頭上。
他從阿基米德檢驗國王皇冠的實驗中受到啟發，一面重複這個實驗，一面想到這種方法的用途。當時歐洲各國的航海事業正在興起，航海業帶動了造船業和機械製造，採礦、冶金的發展，反過來又向科學技術提出許多新的問題。伽利略於是把他的注意力轉向合金的物理和力學性質的研究，不久，他透過測定物體在水中的重量發現，物體投入水中減輕的重量，剛好等於它排開的水的重量。在這個重大發現的基礎上，伽利略發明了一種比重秤，可以很方便地測定各種合金的比重。他還寫了一篇論文，詳細地介紹了比重秤的構造原理和使用方法。這件事，很快就在佛羅倫薩和其他城市傳開了。
1589年夏天，在佛羅倫薩的店鋪裡度過了4年自學生活的伽利略，由於得到宮廷數學家瑪竇·利奇的鼓勵，特別是貴族蓋特保圖侯爵的推薦，他終於獲得了比薩大學數學和科學教授的職位。這時，他只有25歲。
現在，伽利略可以不必為生活發愁了，雖然工資不高，但是他可以在完成日常教學之外，專心從事他嚮往的科學研究。就在這不久，伽利略進行了本文一開頭介紹的自由落體實驗，他在比薩斜塔上扔下的鐵球（後來經過嚴謹的證明，伽利略並沒有來比薩斜塔上進行實驗），不僅證明了不同重量的物體由同一高度下落時速度是相同的，更重要的是，這個大膽的結論推翻了亞里士多德的權威結論。在那些思想保守、頭腦僵化的人眼裡，這個舉動無異於挖了他們的祖墳，亞里士多德的信徒們與伽利略開始勢不兩立了。在比薩大學呆了一個學期，伽利略又失去了職位。
原因是他得罪了一個大公爵的親戚喬範尼。這個喬範尼是個不學無術的人，他聲稱發明了一臺挖泥船，假惺惺地跑來徵求伽利略的意見。當伽利略仔細觀察了挖泥船的模型後，直言不諱地告訴他，設計不合科學原理，根本不能使用。喬範尼碰了一鼻子灰，不但不接受伽利略的意見，反而固執地堅持下水實驗，結果船沉了。事實證明伽利略的判斷是完全正確的，但惱怒的喬範尼反而遷怒於伽利略，散佈流言蜚語，攻擊他是“陰險的人”。那些早就心懷不滿的亞里士多德的信徒，乘機對他大肆攻擊，一時間鬧得滿城風雨。在這種氣氛中，伽利略無法在比薩大學呆下去了。
伽利略再一次求助於蓋特保圖侯爵。這位珍惜人才的貴族再一次伸出友誼的手，他運用自己的影響，把伽利略推薦給帕多瓦大學，帕多瓦是義大利北部一個學術空氣濃厚的小城，距離美麗的海濱城市威尼斯不遠，屬於威尼斯共和國管轄。1592年，28歲的伽利略被任命為帕多瓦大學的數學、科學和天文學教授。
從此，伽利略迎來了一生中的黃金時代。
之後， 伽利略在佛羅倫薩的宮廷裡繼續進行科學研究，但是他的天文學發現以及他的天文學著作明顯的體現出了哥白尼日心說的觀點。因此，伽利略開始受到教會的注意。1616年開始，伽利略開始受到羅馬宗教裁判所長達二十多年的殘酷迫害。
伽利略的晚年生活非常悲慘，照料他的女兒賽麗斯特竟然先於他離開人世。失去愛女的過分悲傷，使伽利略雙目失明。即使在這樣的條件下，他依然沒有放棄自己的科學研究工作。
1642年1月8日，凌晨4時，為科學、為真理奮鬥一生的戰士，科學巨人——伽利略離開了人世，享年78歲。在他離開人世的前夕，他還重複著這樣一句話：“追求科學需要特殊的勇氣。”
1615年冬季的一天，天氣寒冷異常，天空籠罩著陰沉的烏雲，伽利略孤身一人來到羅馬。5年前的1610年，伽利略告別了帕多瓦大學，回到佛羅倫薩，擔任了託斯坎尼公國的宮廷數學家和哲學家，兼任比薩大學的數學教授。也就在這年，他曾經訪問過羅馬，受到熱情的接待和規格很高的禮遇。他在天文學上一系列新發現和望遠鏡的發明，受到羅馬教皇保羅五世的重視，羅馬的貴族和科學家也以結識他而感到榮耀。可是，僅僅事隔5年，羅馬的臉孔完全變了，沒有鮮花和笑臉，到處是冷漠的沒有表情的面孔，連熟悉的人也像躲避瘟疫似地離他遠遠的。
發生了什麼事情？原來這一次，伽利略的名字上了羅馬宗教裁判所的黑名單，他是被臭名昭著的宗教裁判所傳訊到羅馬來接受對他的審訊的。
伽利略犯了什麼罪呢？這話要從頭說起。
15、16世紀的歐洲，正是封建社會向資本主義社會轉變的關鍵時期。長期以來，為了鞏固封建統治的秩序，神權統治的歐洲，用神學代替了科學，用野蠻代替了自由。神學家們荒誕地宣稱，宇宙是一個充滿“各種等級的天使和一個套著的水晶球”，而靜止不動的地球就居於這些水晶球的中心。他們推崇古希臘天文學家托勒密的“地球是宇宙中心”的學說，因為在神學家看來，太陽是圍繞地球運轉的，因為上帝創造太陽的目的，就是要照亮地球，施恩於人類。這是永恆不變、顛撲不破的真理。