Hoewel hij de telescoop niet heeft uitgevonden, verbeterde hij het ontwerp aanzienlijk en gebruikte het om baanbrekende astronomische observaties te maken:

* fasen van Venus: Galileo observeerde de fasen van Venus, vergelijkbaar met de maan. Dit kon alleen worden verklaard als Venus de zon draaide, niet de aarde.

* manen van Jupiter: Galileo ontdekte vier manen in een baan om Jupiter, waaruit blijkt dat niet alle hemellichamen rond de aarde draaiden.

* zonnevlekken: Hij observeerde zonnevlekken en bewees dat de zon niet perfect was zoals eerder gedacht.

* kraters op de maan: De observaties van Galileo onthulden dat de maan geen gladde, perfecte bol was, maar kraters en bergen had, waardoor het traditionele beeld van de hemel uitdaagde.

Deze observaties leverden sterk bewijs voor het heliocentrische model voorgesteld door Nicolaus Copernicus, en daagden de heersende geocentrische visie uit die de aarde in het midden van het universum plaatste.