Galileo observeerde niets dat definitief bewees dat het zonnestelsel heliocentrisch was. In plaats daarvan maakte hij een reeks observaties die sterk bewijs leverden ter ondersteuning van het heliocentrische model en sprak hij tegen het heersende geocentrische model (op aarde gecentreerd). Dit is wat hij heeft waargenomen:

* fasen van Venus: Galileo merkte op dat Venus door fasen gaat, net als de maan (nieuw, halvemaan, gibbous, vol). Dit was alleen mogelijk als Venus de zon draaide, niet de aarde. In het geocentrische model zou Venus altijd verschijnen als een halve maan of volledige schijf, nooit als een gibbous fase.

* manen van Jupiter: Galileo ontdekte vier manen in een baan om Jupiter. Dit was belangrijk omdat het aantoonde dat niet alles om de aarde draaide, in tegenspraak met het geocentrische model.

* zonnevlekken: Galileo observeerde donkere vlekken op de zon, wat aangeeft dat de zon zelf niet perfect was, een kerngeloof van het geocentrische model. Hij merkte ook op dat de vlekken bewogen, wat suggereert dat de zon roteerde.

* Observaties van de Melkweg: Galileo gebruikte zijn telescoop om te zien dat de Melkweg uit talloze sterren bestaat en het geocentrische model op de Melkweg als een stralende nevel uitdaagde.

Hoewel de observaties van Galileo krachtig bewijs waren voor het heliocentrische model, hebben ze het niet afdoend bewezen. De wetenschappelijke gemeenschap aarzelde om heliocentrisme volledig te omarmen vanwege de kracht van het geocentrische model en religieuze bezwaren. Het kostte meer tijd en bewijsmateriaal van andere wetenschappers om heliocentrisme algemeen geaccepteerd te worden.