1564年，伽利略出生于意大利比萨市一个没落的贵族家庭。他17岁考入比萨大学，在大学里，伽利略在宫廷数学家里奇的精心辅导下，把阿基米德的浮力原理和杠杆原理结合起来，获得了精密的测量方法，又发明了用以测定合金成分的“液体静力天平”，渐渐引起了学术界的注意。25岁时，伽利略受聘为比萨大学教授。
1590年的一天，伽利略邀请了许多学者和大学生来到比萨斜塔下面，他和他的助手登上斜塔，让一个重100磅和一个重1磅的铁球同时由塔上自由下落，轻的和重的几乎同时落地。伽利略把实验重复做了一次，结果仍然相同。伽利略的这次实验动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的臆断（亚里士多德认为不同重量的物体从高处下落时速度不一样），这给观众带来了很大的震撼。伽利略发现了真理，但却激怒了比萨大学里亚里士多德学派的信徒，他们攻击伽利略是圣教的叛徒。伽利略被赶出了比萨大学，但也正是这个实验让他发现了“自由落体定律”。
伽利略离开比萨大学后，来到学术空气自由的帕图拉大学。每逢他上课时，大厅里挤满了前来听课的学生。伽利略给学生们讲宇宙，并告诉他们：“宇宙中没有任何东西是一成不变的。”这个观点与亚里士多德的学说正好相反。他还告诉学生，宇宙中所有东西、所有原子、所有星球都在运动，而不是静止不动的。
1609年，伽利略经过刻苦钻研和实验，成功地研制出了世界上第一架放大倍数为33倍的天文望远镜。在这架望远镜的帮助下，伽利略有了一系列重大的发现：月球表面呈现不规则的凹凸状起伏；银河由千千万万颗暗淡的星星组成；太阳上面有黑子；土星周围有光环；木星旁边有四颗运转着的卫星；地球并不是各个天体旋转的唯一中心……所有这些结果，都有力地支持了哥白尼的“日心说”：地球和所有行星都围绕太阳运行。第二年，伽利略出版了他的《星际使者》，向全世界宣布了他的科学发现。
1611年，伽利略在《关于太阳黑子的通信》中，肯定太阳是宇宙的中心，支持哥白尼的“日心说”。他指出，天体的永恒，只是相信亚里士多德哲学的教士们自己的看法，而不是天主教的教义。然而，当时势力强大的教会反对哥白尼的日心说。他们认为地球是宇宙的中心，太阳围绕地球转动，而地球是静止的。因此，教会在1616年给伽利略下了一道禁令，不准他讲授哥白尼的学说。
1623年，伽利略冒险开始写作《关于两种世界体系之间的对话》。同时，他六次请求教皇乌尔班接见他。他谨慎地向乌尔班介绍有关哥白尼学说的书籍，教皇同意他把对“日心说”赞成和反对的论点一起写出来，但不允许他得出地球绕着太阳旋转的结论。六年后，伽利略完成了他的杰作。在书中，他巧妙地阐明了自己支持哥白尼学说的证据，他把哥白尼的学说当做“一种纯数学假说来叙述”。1632年，这本书在得到教会监察吏的许可后出版发行。但是，教会的权威人士很快就发现了伽利略仍在支持哥白尼的“日心说”，于是一次又一次地把他押上宗教法庭。
这时的伽利略已年近七十，身患重病，体质虚弱。在宗教法庭上，他的精神和肉体受尽了折磨。1633年6月22日，他被迫发誓：哥白尼的理论完全是一派胡言乱语。伽利略刚宣布完他的誓言，却又大声说：“无论怎么说，地球到底是在运动着的。”这说明伽利略并没有放弃自己所坚持的学说。伽利略被判处终身监禁，监外执行。
尽管受到不公正的待遇，伽利略仍没有放弃科学，三年后，他又完成了《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》这部巨著。在书中，他大胆叙述了物体的各种运动和动力学的一些问题，为近代实验科学的发展开辟了道路。这部书后来得以偷运到荷兰出版。
伽利略的晚景极为凄凉，1642年1月8日，他含冤离开了人世。19年，罗马教会终于为伽利略冤案公开平反，肯定他是一位科学巨人。