Отговорът на Галилей е също толкова характерен — аристотелианците, Църквата, враговете и кредиторите му — всички са се съюзили срещу него. Идеите му придобиват все по-голямо значение и стават все по-оригинални, но с това расте и параноята му. Отговорите, давани на неговите опоненти, стават все по-неумолими и презрителни. Галилео си създава все повече и повече врагове на важни постове.
„Звездният пратеник“ обаче му носи и успех, тъй като деветнадесетгодишният велик херцог Козимо II е поласкан, че бившият му възпитател го помни, и почита Галилео по един щедър начин. Веднага му предлага поста на „първи философ и математик“ в Тоскана — работа, която му носи добра заплата и включва разкошно жилище във вила Белосгуардо на един хълм южно от Флоренция, идеално разположен за астрономични наблюдения. Галилео веднага напуска Падуа и взема трите си деца, а любовницата Марина изоставя, очевидно по взаимно съгласие. Оставя й обаче подходяща зестра, за да може да се омъжи, което тя прави на следващата година.
Този период се оказва връхна точка в живота на Галилей, но бележи и зенита на влиянието на Медичите върху научния ренесанс. Медичите стават кръстници на нова научна епоха и под тяхното покровителство и защита Галилео има възможност да разшири научните си изследвания, без да бъде възпрепятстван от своите критици. Новините за откритията му се разпространяват и се поглъщат с голям интерес от мислителите из цяла Европа. В Холандия философът и математик Рьоне Декарт започва да изучава работата на Галилей, вдъхновила го за неговата новаторска книга „Разсъждения за метода“, в която излага рационален и научен метод на мислене за откриване на истината и дава философска основа на всичко, започнато от Галилео.
Галилей започва поредица от свободни изследвания, като същевременно се залавя и с ред широки по обхват теоретични предположения. Вижданията му за близката връзка между математиката и физиката го карат да направи разграничение между двете характеристики на предметите. От една страна са физическите характеристики, които могат да бъдат измерени, като височина, тегло и т. н., те принадлежат на самите предмети. От друга, са характеристиките, които не могат да бъдат измерени, като мириса, цвета или вкуса на предмета, те не принадлежат на самите предмети, а са впечатления, предизвикани у хората, които ги наблюдават. Това жизненоважно разграничение по-късно е взето от английския философ Джон Лок и лежи в основата на неговата философия на емпиризма — първата истинска научна философия, която твърди, че всяка истина трябва да почива на опита.
Философиите на Декарт и Лок предизвикват възраждане във философската мисъл и е общоприето да се смятат за начало на съвременната философия. Двете философии — рационалната и емпиричната, дължат много на Галилео, който от своя страна разчита толкова много на покровителството и закрилата на Медичите. Самият Галилей предизвиква възраждането на една древна философска идея, която променя повече науката, отколкото философията. Вследствие на своите опити Галилео започва да разсъждава върху основната природа на материята, което го довежда до съживяването на идеята, изказана за първи път от древногръцкия философ Демокрит в началото на четвърти век пр. Хр. Демокрит твърди, че всички вещества в основата си се състоят от невидими единици, които нарича „атоми“, което произлиза от гръцката дума „atomos“ — неделим или невидим. С времето идеята прониква във физиката и химията, като опровергава древното съждение на Аристотел, че всички материи се състоят от смес от земя, въздух, огън и вода.
Изминават много векове, преди атомите да могат да бъдат наблюдавани или изброени на практика, но идеята стига до самото сърце на новата научна революция. Атомите, като отделни единици, могат теоретично да бъдат преброени, от което следва, че смесицата от земя, въздух, огън и вода е материя на характеристиките, а не на числата. Новата научна революция се измества от качествения свят към количествения, там, където математиката може да се приложи.
Галилео обмисля изводите на новата хелиоцентрична теория и размишлява, че инерционният път на планетата около слънцето трябва да е причинен от някаква форма на магнитна сила между двете тела. От дневниците му става ясно, че е на ръба да формулира идея, близка до тази за гравитацията, и да схване, че това е всеобхватна сила, която важи за цялото небе. Прилагането на законите на физиката от страна на Галилео към движението на планетите е епохална стъпка — Кеплер прилага математиката към цялата вселена, а сега Галилей показва, че земните закони на физиката също са всеобхватни. Смело обявява: „Земните закони важат на небето.“