Mimo to zakwestionował geocentryczny model Ptolemeusza, przez co był jednym z głównych motorów przewrotu kopernikańskiego i całej rewolucji naukowej XVII wieku.
W fizyce Galileusz zajmował się głównie mechaniką klasyczną, której był współtwórcą, a także elementami termodynamiki i optyki. Badał izochronizm wahadeł, względność ruchu i opracował prototypy pierwszej zasady dynamiki, zasady względności oraz słabej zasady równoważności – dowodząc, że spadek swobodny, ruch wahadła itp. ruchy pod wpływem grawitacji nie zależą od masy poruszanego ciała, zgodnie z wcześniejszymi opiniami Filopona i Stevina. Tym sposobem obalił koncepcje fizyczne Arystotelesa, przejęte też przez średniowiecznych scholastyków i bronione również w nowożytności. Galileusz antycypował także problem brachistochrony, analizę wymiarową i mechanikę ośrodków ciągłych, zwłaszcza elastomechanikę. Jego prace nad pompami i próżnią przyczyniły się do odkrycia ciśnienia atmosferycznego i wynalezienia barometru. Był też konstruktorem jednego z pierwszych termometrów, zwanego termoskopem. Usiłował również zmierzyć prędkość światła w powietrzu, czemu nie podołał, jednak umożliwił dolne oszacowanie tej wielkości, a podobne metody oparte na lustrach zostały potem skutecznie wykorzystane w XIX w. przez Fizeau i Foucault.