伽利略發現了多種重要的天文現象和科學定律，主要包括：
木星的衛星。伽利略利用望遠鏡觀測到了木星有四顆較大的衛星，這些衛星後來被稱爲“伽利略衛星”。這一發現支持了哥白尼的日心說，對當時的宇宙觀產生了衝擊。
月球表面特徵。伽利略觀察到月球表面並非光滑完美，而是有高山和深谷，並繪製了世界上第一幅月面圖。
太陽黑子和自轉。他發現了太陽黑子現象，並意識到黑子是太陽表面的特徵，還觀察到太陽的自轉。
金星相位變化。伽利略發現了金星的相位變化，推斷出金星繞太陽的軌道位置。
土星光環。他首次觀察到土星的光環。
銀河的恆星。伽利略證明了銀河是由無數顆恆星組成的。
自由落體定律。伽利略在物理學方面的貢獻包括髮現了自由落體定律，即物體在真空中下落的加速度與其質量無關。
慣性定律和相對性原理。伽利略提出了慣性定律和相對性原理，奠定了經典力學的基礎。
伽利略的工作不僅在天文學領域產生了深遠的影響，還在物理學和科學方法論方面具有重要意義。