Galileo był najstarszym dzieckiem w rodzinie.
Imię Galileo pochodziło od przodka (), który był znanym politykiem, lekarzem i wykładowcą na początku XV wieku – w tym samym czasie rodzina zmieniła nazwisko na Galilei.
Elementarne wykształcenie pobierał w domu rodzinnym, następnie w wieku 11 lat rozpoczął naukę w szkole zakonnej u w (niedaleko Florencji). Gdy w wieku 15 lat zakomunikował ojcu, że chce zostać mnichem, ten natychmiast zareagował, zabierając go z klasztoru. W 1581 roku, w wieku 17 lat rozpoczął studia na Uniwersytecie w Pizie (medycyna – zgodnie z życzeniem ojca). Studiów tych nie ukończył, gdyż bardziej interesowała go matematyka. Dawał prywatne lekcje matematyki we Florencji i Sienie. Po powrocie do rodzinnej Florencji zetknął się z matematykiem , u którego pogłębiał wiedzę z mechaniki i matematyki. W 1586 napisał swoją pierwszą pracę Mała waga hydrostatyczna, o metodach wyznaczania gęstości metali i kamieni szlachetnych. Dzięki tej pracy zawarł znajomość z kilkoma wpływowymi ludźmi, między innymi z matematykiem, filozofem i astronomem , wówczas inspektorem twierdz toskańskich. Za jego poparciem w 1589 roku (w wieku 25 lat) został wykładowcą matematyki na Uniwersytecie w Pizie.