伽俐略最初的重大贡献是在力学领域内做出的.亚里士多德教导说,重物体比轻物体下落的速度要快些.由于这位希腊哲学家的绝对权威,世世代代的学者都接受了他的论断.但是伽俐略却决定对它加以验证,通过一系列的实验,他很快发现亚里士多德错了.事实上若没有空气的摩擦阻力,重物体和轻物体下落的速度相同（顺便说一句,有关伽俐略在比萨斜塔上所做的物体下落实验的传说似乎是毫无根据的）.发现这一规律后,伽俐略又采取了下一步骤,他仔细测量了下落的物体在给定时间内所通过的距离后,发现一个下落的物体经过的距离与它下落所用的时间秒数的平方成正比.这一发现本身意味着一个恒定的加速度,具有重要的意义,但更重要的是伽俐略能用一个数学公式概括出一系列实验的结果.广泛使用数学公式和数学方法是现代科学的一个重要特征.
伽俐略的另一个主要贡献是他发现了惯性定律.在此以前人们认为在没有外力的作用下,一个正在运动的物体必然要逐渐减速,最后停下来.但是伽俐略的实验表明这个普遍的认识是错误的.如果没有阻力,如摩擦力的作用,一个物体会无限地继续运动下去.牛顿明确地重申了这一重要原理,并把它作为第一运动定律并入自己的体系中,它是物理学中的重要定律之一.
伽俐略最著名的发现是在天文学领域中做出的.在17世纪初期天文学说处于十分混乱的状态,哥白尼的日心说的追随者和古老的地心说的拥护者之间进行着一场激烈的论战.早在1604年伽俐略就宣布他认为哥白尼是正确的,但是当时无法证明.1609年伽俐略听到荷兰发明了望远镜的情况,虽然他对这种装置只能做出蜻蜓点水的描述,但是他凭借自己独特的天赋,很快就亲手制成一台特别高级的望远镜.有了这台望远镜,他就可以利用自己的观察天才来探索太空,仅在一年之内就做出了一连串的重大发现.