Итальянский ученый Галилео Галилей, 25 августа 1609 года представил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Он представлял собой конструкцию, состоявшую из нескольких линз, заключённых в трубу из свинца и давал приблизительно трехкратное увеличение.

Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Отметим, что термин телескоп ввел в науку именно Галилей. Ряд телескопических открытий Галилея способствовали утверждению гелиоцентрической системы мира, которую Галилей активно пропагандировал, и опровержению взглядов геоцентристов Аристотеля и Птолемея.

Первые телескопические наблюдения небесных тел Галилей провел 7 января 1610 года. Эти наблюдения показали, что Луна, подобно Земле, имеет сложный рельеф - покрыта горами и кратерами. Известный с древних времен пепельный свет Луны Галилей объяснил как результат попадания на наш естественный спутник солнечного света, отраженного Землей.

Все это опровергало учение Аристотеля о противоположности «земного» и «небесного»: Земля стала телом принципиально той же природы, что и небесные светила, а это, в свою очередь, служило косвенным доводом в пользу системы Коперника: если другие планеты движутся, то естественно предположить, что движется и Земля. Галилей обнаружил также либрацию Луны и довольно точно оценил высоту лунных гор.

У Юпитера обнаружились собственные луны - четыре спутника. Тем самым Галилей опроверг один из доводов противников гелиоцентризма: Земля не может вращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг нее самой вращается Луна. Ведь Юпитер заведомо должен был вращаться либо вокруг Земли, как в геоцентрической системе, либо вокруг Солнца, как в гелиоцентрической. Полтора года наблюдений позволили Галилею оценить период обращения этих спутников, хотя приемлемая точность оценки была достигнута только в эпоху Ньютона.

Галилей предложил использовать наблюдения затмений спутников Юпитера для решения важнейшей проблемы определения долготы на море. Сам он не смог разработать реализацию подобного подхода, хотя работал над ней до конца жизни.

Галилей открыл также солнечные пятна. Существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о совершенстве небес. По результатам их наблюдений Галилей сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение оси Солнца. Галилей установил, что Венера меняет фазы.

Галилей отметил также странные «придатки» у Сатурна, но открытию кольца помешали слабость телескопа и поворот кольца, скрывший его от земного наблюдателя. Полвека спустя кольцо Сатурна открыл и описал Гюйгенс, в распоряжении которого был 92-кратный телескоп.

Историки науки обнаружили, что 28 декабря 1612 года Галилей наблюдал еще не открытую тогда планету Нептун и зарисовал ее положение среди звезд, а 29 января 1613 года наблюдал ее же в соединении с Юпитером. Однако Галилей не опознал Нептун как планету.