Теперь мы имеем не только одну планету, вращающуюся вокруг другой, в то время как обе они обходили великий круг около Солнца, но наши чувства показывают нам четыре светила, вращающиеся вокруг Юпитера, как Луна вокруг Земли, в то время как они вместе с Юпитером в течение 12 лет описывают большой круг около Солнца".

По приглашению герцога Козимо II Медичи ученый переселился во Флоренцию. Здесь он становится придворным философом и "первым математиком" университета.

В 1611 году он ездил в Рим, где ему был оказан хороший прием при папском дворе и где у него завязалась дружба с князем Чези, основателем "Академии Рысьеглазых", членом которой он стал.

По настоянию герцога Галилей опубликовал свое первое антиаристотелевское сочинение — "Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и тех, которые в ней движутся" (1612 год).

Продолжая наблюдения, Галилей открыл фазы Венеры, солнечные пятна и вращение Солнца, изучал движение спутников Юпитера, наблюдал Сатурн.

Обратившись к звездной сфере, Галилей обнаружил огромное количество новых звезд, невидимых невооруженным глазом: "Чтобы показать на паре примеров почти невероятное их множество, я решил описать два созвездия, чтобы по ним можно было бы составить суждение и об остальных. Сначала я решил нарисовать целиком созвездие Ориона…"

Наблюдения в телескоп дали еще один неожиданный эффект: "…достойно удивления то, что звезды… при рассмотрении в зрительную трубу никак не кажутся увеличившими свои размеры в той же пропорции, в какой получаются приращения у других предметов и даже у Луны. На звездах такое увеличение оказывается гораздо меньшим, так что зрительная труба, которая остальные предметы увеличивает, скажем, во сто раз, может сделать большими звезды лишь в четырех-или пятикратном отношении, чему еле поверишь". Галилей этим доказывает огромную удаленность звезд.

Предметом пристальных наблюдений исследователя стал Млечный Путь. "При помощи зрительной трубы ее [сущность или материю Млечного Пути] можно настолько ощутительно наблюдать, что все споры, которые в течение стольких веков мучили философов, уничтожаются наглядным свидетельством и мы избавимся от многословных диспутов. Действительно, Галаксия [галактика] является ничем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию". Направив трубу на то, что астрономы до него называли туманными звездами (а теперь — туманностями), Галилей обнаружил такое же звездное скопление, как и в Млечном Пути.