גלילאו עסק באסטרונומיה , פיזיקה ומתמטיקה. גלילאו הניח את היסוד למדע המודרני אשר מבוסס על ניסויים
ותצפית על בניית תיאוריות.בנוסף גלילאו עמד והתעקש בתיאוריה של קופרניקוס (האומרת שהשמש עומדת במקום וכל שאר כוכבי-הלכת סובבים אותה) ופעל נגד התיאוריה של אריסטו (האומרת שכדור-הארץ עומד במקום וכל שאר כוכבי-הלכת והשמש סובבים אותה).
ניסוי נפילת הגופים עד זמנו של גליליי שלטה הדעה כי ככל שמשקל הגוף קטן יותר, מהירות נפילתו על פני הקרקע תהיה איטית יותר. הנחה זו מקורה בתורתו של הפילוסוף היווני אריסטו, כפי שהיא מובאת בספרו על הפיזיקה. גליליי הראה על ידי ניסויים שדבר זה אינו נכון, ושמהירות הנפילה החופשית בריק אינה תלויה במשקל.
ההסבר לקביעה נעוץ בחוק השני של ניוטון. עוצמת הכוח המופעל על הגוף הנופל תלויה גם תלויה במסתו, ולכן על גוף בעל מסה גדולה יותר יופעל אמנם כוח משיכה גדול יותר, אך תאוצת הכובד שלו תישאר זהה לשל כל גוף אחר הנופל לידו! זאת בשל כך שתאוצה, כלומר שינוי בתנע גוף, תלויה במסה של אותו גוף. במילים אחרות, קשה יותר להאיץ גוף ככל שמסתו גדולה יותר.
גליליי ביצע ניסויים בהטלת משקולות בעלות מסה שונה ובמדידת מהירות נפילתן. למרות שאין כל הוכחה מתועדת לכך, מקובל שאת הניסוי הזה ביצע במגדל הפעמונים בעיר, הידוע כ"מגדל הנטוי". עם זאת, סביר להניח, שאת רוב הניסויים שלו בנפילת גופים בעלי משקל שונה ביצע על גבי מישורים משופעים, באמצעות גלגול כדורים במשקלים שונים. בניסוי מעין זה ניתן להאריך את משך גלגול הגופים באמצעות הארכת אורכי השיפועים ולבצע ניסוי מבוקר, שבו ניתן לעקוב אחר משך תנועת הגופים. מה שהיה מן הנמנע בהטלת גופים מהמגדל, בגלל משכי הזמן הקצרים של הנפילה שגורמים לבעיות מדידה והשוואה. אחד הנימוקים לכך שגליליי לא יכול היה לערוך את ניסוייו בחוץ, על המגדל, הוא שהתנגדות האוויר, שהשפעתה גדולה במיוחד על גופים קלי משקל, הייתה פוגמת בתוצאה הסופית, שהייתה אמורה להפריך את תורתו של אריסטו ולאשש את ההיפותזה של גליליי, כיוון שהגופים לא היו נופלים במהירות שווה.
הטלסקופ המכשיר האופטי החדש המצויד בעדשות הציג מערך שלם של בעיות: היה צורך להתמודד עם גורמי טעות הנובעים מחוש הראייה, מטבעו של האור, ומהדרך בה יש לפרש תמונה ויזואלית כידע פיזיקלי. גליליי ערך מגוון ניסויים ופיתוחים כדי להוכיח שהדמויות הטלסקופיות אינן פגמים אופטיים, כשלים של עין הצופה או אשליות הנוצרות על ידי העדשות.