Študoval v kláštore Vallombros, kde si osvojil latinčinu a gréčtinu, ktoré mu umožnili štúdium významných latinských a gréckych diel z originálov. Na otcovo želanie odišiel študovať medicínu na univerzitu v Pize. Ale väčšiu náklonnosť cítil k matematike a fyzike. Obrátil sa so žiadosťou na priateľa Ricciho, učiteľa, aby mu vysvetlil niektoré Euklidove poučky. Potom sa zahĺbil do štúdia geometrie tak, že úplne zanechal medicínu. Samostatne sa oboznamoval s Aristotelovou fyzikou a s veľkým obdivom študoval Euklidove a Archimedove práce. Jedného dňa, keď bol na bohoslužbách v katedrále v Pize, jeho myseľ bola vyrušená obrovskou bronzovou lampou visiacou z vysokého stropu. Lampa bola potiahnutá nabok, aby ju mohli ľahšie zapáliť, a keď bola uvoľnená kmitala tam a späť s pravidelne zmenšujúcou sa amplitúdou. Použitím svojho pulzu na meranie času, bol prekvapený zistením, že perióda kmitania lampy bola nezávislá od veľkosti rozkyvu. Neskôr experimentmi ukázal, že perióda kyvadla taktiež nezávisí od hmotnosti telesa zaveseného na kyvadle a teda závisí výlučne na dĺžke závesu.
Ako 25 ročný získal profesúru matematiky na univerzite v Pize. Robil verejné pokusy s padajúcimi telesami. Pred zástupom študentov, profesorov a kňazov pustil dva kusy kovu, jeden desaťkrát ťažší ako druhý, z vrcholu šikmej veže v Pize. Dva kusy kovu dopadli na zem prakticky v rovnakom momente, teda protirečiac Aristotelovi, ktorý povedal, že ťažšie teleso padá rýchlejšie ako ľahšie. Galileo prišiel na zákon, že dĺžka pádu telesa je priamoúmerná štvorcu času pádu. Podľa známej rovnice s = g t2/2 Ani zjavný dôkaz Galileiho experimentov neotriasol vierou ostatných profesorov na univerzite v Aristotela. Po týchto pokusoch mu autority univerzity znepríjemňovali život, až roku 1591 odstúpil. Nasledujúci rok prijal profesúru na univerzite v Padove, kde bola priateľskejšia atmosféra na vedecké bádanie. Tu pôsobil skoro osemnásť rokov a pokračoval v pokusoch, učení a získal svetovú slávu.
V roku 1607 učeň výrobcu šošoviek Hans Lippershey v Holandsku sa hral so šošovkami jeho majstra a objavil, že ak drží dve šošovky vo vhodnej vzdialenosti od seba, objekty videné cez túto dvojicu sa zväčšia. Učeň ukázal svoj objav majstrovi, ktorý umiestnil dve šošovky do tubusu a vystavil prístroj ako hračku do výkladu svojho obchodu.