伽利略对天文学也有重要的贡献。他是第一个利用望远镜观察天体并且取得大量成果的科学家，被人们誉为“天空的哥仑布”。他观察到月亮表面上有许多凹凸不平的山岳、盆地，木星有四个卫星，太阳上有黑子，银河是由无数个恒星组成的星系，金星、水星也有盈亏现象等。1610年，伽利略在名为《星空使者》的书中公布了这一系列前所未闻的新发现，还宣告他观察到了天上的星星“绕着太阳运行”。