Matematiikka ja tiede
Galileo Galilein suurimpana saavutuksena pidetään  sitä, että hän kehitti merkittävästi tieteellistä metodia. Hän yhdisti kvantitatiiviset kokeet matemaattiseen analysointiin, mikä muodostaa yhä luonnontieteen perustan.
Galileo Galileita pidetään ensimmäisenä, joka avoimesti sanoi, että luonnonlait ovat matemaattisia.  Tämä oli merkittävä muutos tieteessä, sillä antiikin Aristoteleesta saakka logiikkaa oli pidetty tieteen keskeisimpänä työkaluna.
Galilein merkitys oli suuri myös siinä, että hän kiisti auktoriteettien, kuten kirkon ja antiikin filosofien aseman tieteessä. Auktoriteettien sokean tottelemisen ja hyväksymisen hylkääminen on nykyaikaisen tieteen metodin olennainen osa. Tämä kehitys johti tieteen eroamiseen uskonnosta ja filosofiasta. Nämä kaksi keskeistä tieteen kehitykseen liittyvää asiaa antavat syyn nimittää Galileo Galileita ”tieteen isäksi”.
Galilei ymmärsi huomattavan modernilla tavalla matematiikan, teoreettisen fysiikan ja kokeellisen fysiikan väliset relaatiot. Esimerkiksi voidaan mainita seuraavat:
•	Hän ymmärsi matemaattisen paraabelin sekä kartioleikkauksena että neliölain yhteydessä.
•	Hän esitti, että paraabeli on ihanteellisen teoreettisen lentoradan kuvaus, kun kitka ja muut tekijät jätetään huomiotta. Erityisesti hän esitti rajat tämän teorian soveltuvuudelle, eli että teoria pätee vain laboratorion tai taistelukentän kokoluokassa. Edelleen hän jatkoi, että paraabeli ei voi kuvata oikein lentorataa, mikäli kappale on planeetan kokoluokkaa.
•	Hän tunnisti, ettei hänen kokeensa voi vastata tuloksiltaan tarkasti teoreettista tai matemaattista muotoa, koska koetilanteessa vaikuttavat mittausepätarkkuudet, kitka ja muut tekijät.
•	Hän ymmärsi myös luonnonlain mahdollisen pätevyyden rajallisuuden ja mittausepätarkkuuden.
Tähtitiede
Galilei oli yksi ensimmäisistä, jotka käyttivät linssikaukoputkea tähtitaivaan havaitsemiseen. Galilei ei keksinyt linssikaukoputkea, mutta kehitti sitä merkittävästi.
Galilei löysi 7. tammikuuta 1610 kolme Jupiterin neljästä suurimmasta kuusta eli Ion, Europan ja Kalliston. Ganymedeksen hän löysi vajaa viikko myöhemmin.
Galilei oli myös yksi ensimmäisistä auringonpilkkuja havainneista eurooppalaisista. Hän myös tulkitsi uudelleen Kaarle Suuren ajan pilkkuhavainnot, joiden aiemmin arveltiin johtuneen Merkuriuksesta.