他開始了望月觀星的行動。當時正值隆冬時節，比薩雖坐落在地中海式氣候帶內，但冬天的夜晚仍是很冷的。伽利略迎著寒風，仰望夜空中的星星和月亮，仔細觀測，用心琢磨。他一站就是兩三個小時，渾身被風吹得冰涼，卻渾然不覺。後來凍得實在挺不住了，就跑回自己的房間，往身上披了一塊毛毯，又偷偷地跑了出來，繼續觀察。
也不知道他觀察了多少個夜晚，他最終沒有得到當初欲要得到的答案。這時，他才認識到，自己心中想要解決的那些問題，僅靠肉眼的觀察是不行的。
當然他在觀察中發現了一些自然規律：月亮的圓缺運動及星星的次序規則等。他為自己的發現感到欣喜。
父親終於在一天晚上發現伽利略“失蹤”了，他感到納悶兒，就披衣走出了屋外，四下尋找，他終於發現自己的寶貝兒子正蜷曲成一團瑟瑟發抖地仰望著星空。
“伽利略，你蹲在那兒看什麼呢？”父親感到奇怪，不禁問伽利略。
伽利略聽到父親的問話，吃了一驚，隨後鎮定下來，把自己的一些想象之謎告訴了父親。“你簡直是瘋了，思考這些問題能有什麼意義呢？毫無必要！你現在最關鍵的是學好基礎知識，為將來進入比薩大學學醫做好準備。你必須把你頭腦中的胡思亂想全部丟棄，安心學習。”父親怒氣衝衝地對伽利略發起火來。
伽利略卻冷靜下來，等父親的火氣消了許多後，他緩緩地說：“爸爸，我覺得我觀察月亮和星星的行為不是胡鬧，教科書上的知識太陳舊了，它對一些現象，尤其是對大自然方麵的許多現象缺乏合理的解釋和正確的判斷。而自然中這些現象本身就是存在的，可至今無人能真正解釋清楚。我是想通過自己的悉心觀察，從中尋找出解釋這些自然現象的正確答案。”
父親聽了伽利略的話，不禁歎了一口氣，說道：“孩子，你太幼稚了。你這樣做是與上帝作對啊！你是要走哥白尼的路啊！”
“這與上帝有什麼關係呢？哥白尼是誰？”
“唉，說來話長，幾十年前，在離我們意大利很遠的一個名叫波蘭的國家，出現了一位科學家哥白尼。他運用親身的觀察實驗，打破了神學家一貫推崇的宇宙觀念——地球中心說，提出了太陽中心說，向上帝提出了挑戰。他的這種學說被宗教裁判視為異端邪說，哥白尼的學說雖然很有科學的根據，但他觸犯了上帝的意誌，所以屢遭教會的迫害，終生不得誌，最後鬱鬱寡歡而終。伽利略，你要把他的遭遇引以為鑒，不要再沉迷於胡思亂想之中不能自拔。從而耽誤了自己的前途。我從心裏讚賞哥白尼的學說，但回天無力啊！”
“哥白尼真偉大！”伽利略在心裏讚歎。為了安慰好心的父親，伽利略非常誠懇地說：“爸爸，您放心，我知道自己應該去做什麼，怎樣做。我不會讓您失望的。”
父親的臉上這才露出了滿意的笑容。
此後的伽利略，在學習上更加用功，一有問題就纏著老師尋根問底，並開始與老師爭辯某些問題，使老師對他既喜愛又畏懼。
伽利略仍舊觀察天象，並開始嚐試著做觀察記錄。
從父親那裏簡單了解了哥白尼的“日心說”理論學說後，伽利略忽然對太陽產生了濃厚的興趣。他用心觀察，發現太陽在每天的日出日落時又大又紅，在白天則光芒刺人，這是為什麼呢？帶著這個疑問，他找來了一塊很厚的玻璃片，極目觀日。燦爛奪目的陽光即使有厚玻璃的阻隔，仍然刺眼得很。觀測的時間一長，刺激得伽利略眼睛發花，酸痛無比。數天過後，他的眼睛已腫得睜不開了。對此他禁不住驚訝地喊道：陽光有毒！
他也為自己的好奇付出了代價。
伽利略看到大大小小的鳥兒在空中自由飛翔，不禁在心裏生起疑問：鳥為什麼能在天上飛呢？
經過一段時間的觀察，伽利略發現：鳥在飛行時憑借著一雙翅膀上下搖動。啊，原來如此，那麼人若插上一雙翅膀，不也就像鳥兒一樣在天空自如飛翔嗎？
伽利略決定自己試一試。
他找來一些長木條、舊油布、鐵釘和繩子，模仿鳥的翅膀形狀，製作了兩個“翅膀”。兩個妹妹看見她們的哥哥做了兩個怪“玩具”，就跑過來問伽利略這“玩具”是什麼。伽利略驕傲地對妹妹們說：“這不是玩具，而是一雙翅膀，我戴上它們，就能飛到天上去。”
“哥哥，那你也帶上我們一起飛上天好不好？”他的妹妹似乎也天性好奇，懇切地央求著他。
“這……”伽利略感到很為難，因為憑借自己做的這雙翅膀，能否飛上天去，他自己也沒有把握，這隻是第一次試驗。他沉吟了片刻，就安慰著妹妹們說：“一次帶三個人飛上天，恐怕不行。這樣吧，我先一個人試試，如果行，再帶上你們好嗎？”
兩個妹妹小嘴兒噘得很高，很不情願地退到一旁，不吭聲了。
伽利略把“翅膀”用繩子拴套在自己的兩條胳膊上，爾後向左右平舉起胳膊，振臂上下擺動，嘴裏呼喊著：“我要飛了！飛呀！”可是他並沒有飛起來。“這大概是某個動作不到位。”他心裏琢磨著。於是又變換姿式，一邊嘴裏呼喊著，一邊振動“翅膀”向前疾跑。此時，伽利略覺得耳邊風聲呼嘯，他不由得興奮起來，環繞著自己家的庭院圍牆，不停地振“翅”，奔跑，嘴裏也不住地喊：“起飛了，我要起飛了！”他運動了半天，還是飛不起來。
他的怪樣逗得兩個小妹妹捧腹大笑，她們用手指點著哥哥，也不停地湊趣呼喊：“怪鳥要飛了，飛呀，怎麼飛不起來呀！”
伽利略卻沒有泄氣，仍繼續來回跑跳著。此刻，他的母親裘麗婭飼養的小雞、小鵝被驚咋得四處亂飛亂跑，庭院裏塵土飛揚，夾雜著人的呼喊、雞叫、鵝鳴，喧鬧極了。
折騰了半天，伽利略還是上不了“天”，累得汗流浹背，兩個小妹妹走到他的身邊，對他擠眉弄眼地說：“你的這種飛法，我們也會呀！”說完，她們也模仿著伽利略的動作，大呼大叫起來。