Начальное образование Галилео получил в расположенном неподалеку от Флоренции монастыре Валломброза, где был одним из лучших учеников в классе. Мальчик очень любил учиться и осваивал разные предметы: точные науки, гуманитарные, богословие, искусство, музыку. Галилею нравилось рисование, он владел им в совершенстве. Потом во Флоренции мальчик свел знакомство с придворными художниками Медичи: Аньоло Бронзино, Алессандро Аллори, Лодовико Чиголи, Юстусом Сустермансом.

В возрасте 17 лет Галилей вернулся в Пизу, где поступил на медицинский факультет университета по настоянию отца. Но параллельно он посещал лекции по математике и так увлекся этой наукой, что почти забросил медицину. Через год после его поступления в университет, 4 октября 1582 года, папа Григорий XIII провел календарную реформу. Он заменил старый юлианский календарь на григорианский. Новый календарь был введен в католических странах, таким образом, дата сдвинулась сразу на 10 дней: следующим днем после четверга 4 октября стала пятница 15 октября. Не всем это понравилось, многие требовали вернуть «украденные» 10 дней, и разные страны проводили календарную реформу постепенно. Это растянулось на столетия, в России (РСФСР) григорианский календарь был принят только в начале 1918 года, и даты сдвинулись уже на 13 дней вперед. Так день революции, которая совершилась 25 октября, стал 7 ноября.

В Пизанском университете Галилей проучился три года, но не окончил его. Это произошло из-за того, что здоровье и экономическое положение его отца ухудшилось и он больше не мог оплачивать обучение сына. В бесплатном обучении Галилею отказали, так он и остался с незаконченным высшим образованием. За годы учебы Галилей основательно изучил труды античных философов на предмет строения Вселенной, математику, физику и астрономию. В те же времена он ознакомился с гелиоцентрической теорией Коперника, которая показалась ему очень убедительной, но церковь ее не признавала. Кроме того, Галилео заработал репутацию неукротимого спорщика, готового отстаивать свои идеи, не считаясь с мнением уважаемых авторитетных профессоров.

В 1585 году Галилей вернулся во Флоренцию, где познакомился с любителем науки маркизом Гвидобальдо дель Монте. Маркиз был восхищен талантом и знаниями 21-летнего юноши, а также его хитроумными изобретениями. Галилей тогда сконструировал гидростатические весы, и об этом уже было известно во Флоренции. Через Гвидобальдо Галилей познакомился с великим герцогом Фердинандом I Медичи и, благодаря его ходатайству, в 1589 году получил должность профессора математики в Пизанском университете. Его лекции сразу привлекли внимание студентов, и они с удовольствием их посещали. Рассказывают, что в те времена он однажды посетил службу в Пизанском соборе. Во время мессы Галилей заскучал, поднял голову и увидел раскачивающуюся под потолком на длинной цепи лампаду с благовониями. Наблюдая за ее колебаниями, он вывел теорию об изохронизме маятника. Сейчас эта лампада хранится на монументальном кладбище Пизы Кампосанто.