伽利略依舊喜歡夜晚坐在戶外，觀察星星，不和她們住在一起，也就不需要早早地上床睡覺了。
1609年7月，伽利略去了一趟威尼斯，在那裏遇到了薩比。薩比向伽利略講述了這樣一件事：荷蘭人發明了一種儀器，它可以使遠處的物體顯得很近，並於1608年向荷蘭政府申請了專利。伽利略又收到了一個他以前的學生的來信，信中說，有個叫利珀希的荷蘭人，製造了一種特殊的鏡片，這種鏡片，能把隔著一條河的一個姑娘的臉龐看得就像近在咫尺。
伽利略把這封信讀了兩遍，緊接著從椅子上跳了起來，他發誓要做一塊更好的，做一塊能看見月亮麵貌的。
伽利略很快就造出他的鏡片，但是隻是個能放大二三倍的玩具。伽利略寫信給在威尼斯的薩比，保證不久就造出一架更好的。
8月下旬，伽利略又給威尼斯帶去一架，用它比訓練有素的瞭望員用肉眼觀察可以早兩個小時發現進港船隻。伽利略把它送給了總督，他獲得了終身教授的職位，薪水增加了將近一倍。伽利略知道，它對威尼斯的重要性不亞於一支海軍。
伽利略並沒有接受總督的饋贈，匆忙趕到佛羅倫薩，向科西默大公展示了他的新儀器。
12月1日，伽利略造出一架放大20倍的鏡片。這架鏡片可以看到天上的東西。
伽利略用他做好的鏡片去觀察月球，清清楚楚地看到了月球的表麵。
1611年4月，伽利略訪問羅馬。意大利博物學家塞西（1585-1630年）組織的林賽學會（猞猁眼或山貓眼學會，比喻科學家目光敏銳）設宴招待伽利略，在第一次宴會上創造出了“望遠鏡”一詞。
伽利略75歲時，教會了一個朋友製造特殊鏡片“透鏡”。
伽利略心愛的望遠鏡，還在佛羅倫薩。
伽利略還做了另一種鏡片，取名為顯微鏡，送了一架給德國國王的兒子當玩具，並因此而寫了封信。
觀測天文
古希臘科學家阿裏斯塔克斯（公元前3世紀）在天文學的研究中，認為地球繞著太陽轉，但托勒密（公元2世紀），卻認為太陽圍繞地球轉。意大利的羅馬教會為托勒密學說的忠實維護者，他們禁止教員講任何其他的不同觀點；因為托勒密體係最容易與亞裏士多德學說相一致。
但持有不同觀點的人終究是有的，波蘭有才華的通過科學家哥白尼（1473-1543年）在他逝世那一年，問世了他的著作《天體運行說》一書。哥白尼認為阿裏斯塔克斯講的是對的，地球的確是在圍繞太陽旋轉。地球就像金星、木星、水星、火星和土星一樣，是個行星。這些行星都在圍繞太陽旋轉，因為太陽的重力吸引著它們。這些行星不是熾熱的，隻有當太陽光照耀著它們時，才能發光。
哥白尼不能證明他的學說。因此，有些亞裏士多德派的學者竟這樣反駁哥白尼說：“1星期有7天，1個人有7竅——2個眼睛，2個耳朵，2個鼻孔，1張嘴巴，因此，七是惟一重要的數字，隻能有7顆行星，哥白尼列舉了5個行星的名字，如果加上太陽和月亮，正好是7個了。”
伽利略嘲笑這種說法，他常說：“眼睛啦，鼻子啦！有些人就隻看見鼻子底下的那點東西。我要證實，哥白尼是正確的。”
現在，伽利略有了望遠鏡，他可以證實了。
伽利略首先用望遠鏡研究月球，他發現，月球上有奇異的斑點，有些斑點老是黑暗的，它們一定是海（實際是火山口）。有些斑點不斷改變顏色，他們亮了幾個小時後，逐漸變黑，然後又變得明亮了，因此這些斑點一定是山脈。
伽利略認為，月球在旋轉，因此太陽光在不同時間就照射在山脈的不同部位上。
伽利略還注意到，當月亮隻有半邊發亮時，注意觀察，另半邊好像不在這裏。但如果使勁看，就能看見。這是因為地球將太陽光反射到月球上。我們接收月亮的光，月球接收來自我們地球的光。地球和月亮自身都不發光，它們隻能反射太陽的光。
接著，伽利略開始研究行星。他用望遠鏡觀察行星，發現行星顯得比較大；用望遠鏡觀察恒星，它們並不顯得大。因此，伽利略認為，恒星離地球一定比行星遠得多。
1610年1月7日，是伽利略生命中最偉大的一天，當他把望遠鏡對準木星時，他發現木星附近有3個像小月亮一樣較小的星球。
第二天晚上，這3個星處在不同的位置上。過了幾個晚上，出現了第4顆星。這4顆星每天晚上都改變位置。
伽利略明白，他可以肯定哥白尼是正確的了。亞裏士多德派的學者說，月球繞地球旋轉，因此太陽也一定繞地球旋轉。但這些“月亮”卻繞木星旋轉，而太陽並不繞木星旋轉。因此他們的理由是站不住腳的，現在可以證明他們錯了。