1596年夏天，天文学家开普勒出版了第一本天文学著作《宇宙的奥秘》，这是一本公开表明支持日心说的著作，他激动地将书寄给了当时在学界负有盛名的伽利略，恳求得到关注。这本书成功地将伽利略的兴趣由物理实验引到了浩渺的星空，让他成了哥白尼日心说的忠实拥护者。

但伽利略对日心说的确立起决定性作用的是这件事情。1609年的一天，伽利略听说荷兰一位眼镜商人用两枚透镜制作出能够放大远处物体的仪器，他立刻意识到这项发明具有的巨大价值。

伽利略弄清楚原理后，决定自己做出来。他走进一家威尼斯的眼镜店，询问店里的工匠是否有凸透镜和凹透镜。工匠为他找到了适合的镜片。伽利略拿着镜片开始鼓捣起来，他把凸透镜安在管子的一端，另一端则安小一点的凹透镜。终于，一台3倍望远镜诞生了！后来经过改良，他又研发出能放大30倍的望远镜。

一个深秋的夜晚，伽利略将望远镜对准了神秘浩渺的星空，猛然发现了一个未知的世界。他首先观察的是月亮，那个看起来光洁的大圆盘，表面竟然是坑坑洼洼的，上面有高峻的如同山脉一般的高地，还有下沉的像海洋一样的洼地。“哇！月亮竟然是这样的！”伽利略震惊了，“啊！亚里士多德又错了，他说月亮光滑如同水晶球一般。但月亮并不完美，而且也不发光。”

伽利略又将望远镜对准了夜空中的光带，就是我们现在所知的银河。那时的人以为那白茫茫一片是水蒸气凝结的白雾。透过望远镜，他惊讶地发现那里并不是什么白雾，而是聚集在一起的星群。

接着，他开始观察木星，发现木星边上还有三颗小星星，并且这些小星星的位置在不停地变化。他突然意识到，这些星星在围绕着木星转。后来，他又发现了第四颗绕着木星转的星星。“噢！这又说明并不是所有的星星都围着地球转啊。”伽利略兴奋极了。后来，人们将这四颗木星的卫星称为伽利略星。

自从拥有了望远镜这个秘密武器，宇宙的神秘面纱好像被揭开了，人们第一次如此清晰地看见遥远的天体。伽利略迫不及待地将这些观测发现记录下来，写成了第一本天文学著作《星际信使》。一时间伽利略声名大噪，望远镜也卖得脱销。正因为有了望远镜的帮忙，人类依靠肉眼观测天象的时代结束了。

随后，伽利略的另一个发现再次轰动了天文学界。他通过观察，发现金星和月亮一样会出现盈亏变化。如果如托勒密在地心说中所说，太阳和其他星星都绕着地球转，那么金星不会发生这样的变化。这一发现给了地心说有力的一击，从事实上有力地证明了哥白尼的日心说是对的。因为这一结果是可以反复验证的，所以加入日心说阵营的学者越来越多，此时罗马教廷慌了，他们担心人们开始怀疑《圣经》。1616年，教会将哥白尼的《天体运行论》列为禁书，并对伽利略发出警告：不可以宣扬日心说。

伽利略被教会压制后，不能公开演讲，也不能著书立说，直到他的朋友当上了新教皇才有了转机。这时，教会对于伽利略的控制变得松动了。新教皇是一个相对开明的人，伽利略说服他作一些革新，比如说允许客观谈论日心说和地心说。新教皇被说动了，他同意伽利略写书，但忠告他不可公开支持日心说，尤其不能得出结论“地球是转动的”。伽利略得到教会支持后，立刻写了一本新的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。这本书在天文史上有重要地位，书中有三个角色，一个代表托勒密，一个代表哥白尼，还有一个表示中立立场的学者。在书中他们连续4天探讨了“天上的星星是不是永恒不变的”“地球是不是自转”“地球有没有围着太阳转”“潮汐是怎么形成的”等问题。现在看来，除了潮汐问题不大准确，其他都堪称是天文学界的科普经典。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》虽没有直接表明支持哥白尼，但它以完美的逻辑、翔实的证据为日心说建立了牢固的理论基础，也因此让哥白尼学说在欧洲大地上广泛地传播开来。毫无疑问，教皇读完后非常生气，认为伽利略违背了他的忠告。更有好事者从中挑拨，说书中那个肤浅、愚蠢的学者是影射教皇本人。教皇怒不可遏，下令查禁这本书，接着对伽利略的迫害也开始了。