През 1609 година Галилео отново получава поръчка от рода Медичи, но този път от съпругата на Фердинанде I великата херцогиня Кристина, която се нуждае от услугите му. За съжаление тя остава с впечатление, че Галилео е прочут астролог, а не славен астроном и иска от него да направи хороскоп на съпруга ѝ. Фердинандо е тежко болен, а Кристина иска да знае дали ще преживее болестта, и ако това се случи, колко му остава да живее. Галилео не желае да изпада в немилост и веднага се заема за работа, като прави изключително оптимистичен хороскоп, уверявайки великата херцогиня, че според звездите всичко вещае само добри неща за Фердинандо I, който бързо ще се възстанови от болестта и ще живее дълги години. В действителност Фердинандо умира след седмица и перспективите за нова работа при Медичите стават особено мрачни.
През същата година в Падуа Галилео узнава за ново изобретение, наречено телескоп, което е създадено в Холандия. Още преди да види такъв, Галилей бързо схваща принципа, заложен в изобретението, което основно се състои от тръба с две лещи, и веднага създава свой вариант, два пъти по-мощен от всеки телескоп, правен дотогава. Споходен от известна политическа прозорливост, после подарява своето ново „изобретение“ на дожа на Венеция. Огромната важност на телескопа за морска сила като Венеция бързо е оценена, защото това означава, че нахлуващите вражески кораби могат да бъдат видени на хоризонта и градът печели няколко допълнителни ценни часа, в които да подготви защитата си. Благодарният дож дава право на Галилео да заема преподавателското място в Падуа до края на живота си, за жалост обаче ученият не получава допълнителното финансово възнаграждение, на което се надява, и остава затънал в дългове.
Галилео бързо разбира как да направи по-добър телескоп и създава нов, който е тридесет и два пъти по-мощен от предишния. Нещо повече, разбира и как по-добре да се възползва от своя увеличаващ уред и през нощта го насочва към небето, където за свое изумление вижда как пред очите му се разкрива една нова вселена. Както Колумб открива напълно неочакван нов континент, така Галилео бързо прави поредица от сензационни открития.
По същество за три хилядолетия и половина нищо ново не е откривано за небето, астрологическото наблюдение с невъоръжено око достига своя предел още при древните вавилонци, които, застанали на покривите на своите зикурати, нанасят местоположението на звездите. В мига, когато Галилео вдига телескопа към окото си и го насочва към луната, всичко се променя. В миналото смятат луната само за един светещ диск, който последователно расте и намалява, но сега тя се превръща в огромно и загадъчно сферично тяло. Тя не увеличава и не намалява своя размер, вижда се, че сферата е разделена на светлина и сянка, а при по-внимателно разглеждане се забелязва, че повърхността на сферата е покрита с кратери, планини и дори места, които приличат на морета. Галилео знае, че това бележи последното поражение на Аристотеловата астрономия — небесните тела със сигурност не са съвършени сфери, изградени от непроменящата се квинтесенция, те са напълно нови светове с всички несъвършенства и характеристика на онзи, населяван от човечеството.
Галилео описва откритията си в книга, озаглавена „Звезден пратеник“, която с надежда посвещава на своя бивш ученик, понастоящем велик херцог на Тоскана, Козимо II. Произведението на Галилео предизвиква сензация из цяла Европа, сред многото му открития е и това, че Юпитер има спътници, като в чест на херцога нарича тези нови луни Sidera Medicae („Медичиеви звезди“). Сега Медичите са обезсмъртени в небето! От научна гледна точка много по-важни са наблюденията на Галилео над фазите на Венера — планетата нараства и намалява точно по същия начин, по който и луната. От земята се вижда как повърхността й излиза от сянката и влиза в светлината, а после обратно. Това е неопровержимо доказателство, че Венера, както и земята, се въртят около слънцето, тъй като не може да има друго вероятно обяснение за явлението.
Галилео наблюдава слънцето, като използва опушено стъкло, за да предпази окото си, и открива, че има черни петна, които подобно на облаци придобиват всякаква форма и „сякаш се самопоглъщат“. Ето още едно доказателство, че небесата не са извън времето и не са непроменими, както твърди Аристотел. Неизбежно е наблюденията му да предизвикат яростна опозиция от страна на много последователи на Аристотел и представители на Църквата. Най-характерното изказване е направено от баварски абат, който заявява: „Чел съм всички произведения на Аристотел, не откривам нищо, което да прилича на онова, което описвате… Вашите петна по слънцето са дефекти на оптическия инструмент или на окото.“ Отчайващото е, че Галилео не може да противоречи на подобни критики, тъй като те просто не признават неговата гледна точка.