每当夜空万里无云时，伽利略就进行星辰研究。起初，浩瀚壮观的天空使他惊愕踌躇。回到研究室后，他强迫着自己写下刚才观察星河所给他的启示：“这天河仅只是一大团数不清的星辰围聚在一起，不管你将望远镜朝向哪一部分，一路上全是星星。许多星星极大、极亮，但那些细小的就无法分得清楚。”
后来他又写道：“我已决心要描绘整个猎户星座。但它的数量和需要的时间大得惊人！”
他将纸笔推开，手靠在桌上支撑着脑袋，静静地默想、沉思。
“我会有足够的时间来记录这苍穹无尽的奇景中极微细的一部分吗？”伽利略问自己。他想起他浪费在音乐会和宴会上的时间。现在，他把他的琵琶和乐谱束之高阁，只要可能，不再接受任何访问。有时他忙得连准备授课的时间也没有了，甚至他也觉得匆忙得连单独吃饭的时间都挪不出来。
激动中，他爬上观察实验室，心里有些害怕自己是人类当中第一个看到这奇景的人。月亮高挂天空，好像祝福他创新的伟大探险。伽利略忆起他读过的一则奥维德写的神话，说艾克代如何偷窥月亮女神戴安娜，因而被处死刑。有好一阵子他迟疑着，不敢相信他马上要看到的是有史以来人类肉眼不曾见过的东西。他用手将他那长而多的红色头发向后抹起，双眼直向天空望去。
这位天文学家不知自己伫立了多久，他完全将自己沉浸在惊奇中。一位侍者带着一件披风爬上楼来，想替他披上，以防午夜露气受凉，引发他关节炎的老毛病，伽利略竟大声斥责他的干扰，吓得侍者急忙退回。其后，伽利略回到书房写道：“我敢肯定，月亮表面不平滑，也不是很多哲学家们想象的和其他星球一样的完全圆球形。相反，它表层起伏不平，充满着高低沟壑的峰脊，如同地球上的高山深谷一样。”
他一再研究月球的山峰，计算它的高度。从没有一位天文学者--即使拥有现代最高倍数的望远镜--能对他所测得的数字有争论。
1610年元月，他又有一个巨大的发现。他将望远镜转向木星，看到3颗星，虽然很小却十分明亮，2颗在它的东面，1颗在它的西面。第二天晚上，他看见这3颗星全在它的西面。他的记录这样写道：“木星怎么可能一天在前述诸恒星的东边，而前一天却在其中两星的西侧呢？因此我担心可能是天文学家的计算，将这些星球本身的运转差异忽略了。我焦急等待第二晚的观测，可惜第二晚天空全是乌云。”
第三天晚上天空皎洁，伽利略确信“这位置的变换不是木星而是其他星星。”发现这种情形后的第三晚，伽利略又发现第四颗这种移动的星。他放下望远镜，精疲力竭地踱回书房，想起为什么没有能在第一次就注意到这创世纪的发现。
“不是星星，而是月亮！”他激动得透不过气来。他推开窗户，身体斜倚，伸出窗外，呼吸新鲜空气。天空星斗神秘闪烁如小灯。已是深夜，邻近灯光熄灭，一片宁静。整个帕多瓦都沉浸在睡意之中，伽利略重复地默念：“不是星，而是月！它们像月亮绕地球运转一样地绕着木星转。”
卫星的发现，令人兴奋。现在伽利略的归纳推理与他料想的理论吻合，他自己已进一步证明了哥白尼的学说。“月亮绕着地球转，木星的四个卫星绕着木星转，地球、木星和其他行星绕着太阳转。”伽利略第二天展开他匆匆写下的记录开始读起来，部分写得很潦草，简直无法辨认。他想了一想，笑了起来：“即使是个小孩，只要他能像文辛一样聪明，一定也会懂得，因为望远镜不会做假，就是亚里士多德也要接受我的发现了。”
他把这些发现的经过写在他引起争论的《星辰信使》一书中。许多一直对哥白尼理论有信心的天文学家，读过这本书后都感到喜悦与欢欣。开普勒在写给伽利略的信中说：“这样一桩几乎是胡说的事，真把我给惊喜得发愣了！我真不敢相信，我们以前的争论会以这种方式来解决…我盼望我马上有一架望远镜。”
后来，他自己也制作了一架相同的望远镜。望远镜已不再是天文学家的独有的宠物了。驻威尼斯大使们和航海商人将伽利略的成就传遍欧洲各国。远处国家的皇室立刻要求一架同样的望远镜。奥地利国王鲁道夫急于想要看看这种仪器，却被代表教皇的一位大主教自私地阻止了。在法国，皇太后玛丽亚公开地躺在地上观看天空星斗，吓坏了一群宫中的妇女。
科隆统治者候选人斥责《星辰信使》一书不完善，未载明新仪器制造的细节。他建议伽利略将其秘密与他共享，并答应给他巨大报酬。但伽利略在经历过多斯卡尼的教训后已经学乖了，他对国家君主已经失去了信心。甚至，在他接到弟弟米盖的一封长信后，对家族也失去了信赖。
这一次，他那以音乐为生的弟弟，倒不是为了哥哥发明了望远镜赚了不少钱而来向他要钱的。他这次是来劝说伽利略与前述候选君主合作。他信里写着：“希望这次合作能对我的升迁有不少好处。为担保这次升迁，你必须获得佛罗伦萨大公爵的介绍函，寄给我现在的老板。当然，你一定了解，信里言语要措辞美好，我相信你一定能很容易地办到。”至于米盖自己，他说他不要别的，只要一架望远镜。“我虽然不能像一国君主般的酬劳你，但至少，我是你的弟弟。”他这样提醒伽利略。
伽利略收到开普勒的信，最感振奋。开普勒在信中写着说：“在仔细研究过他的全体天文学术人员的报告后，这位帕多瓦大学教授的报导似属正确无误，而我自己写的《气宇宙志》一书也几乎全属错误。”天文学界权威开普勒的这种勇于认错的精神温暖了伽利略的心，也使他更加能够忍受其他仍继续不断寄来的批评。
伽利略自从有了望远镜以后，声誉虽然与日俱增，但嘲弄和辱骂的风暴也在逐渐升高，一些较怯懦的科学家常会被诱惑而指责说他是错误的。
这些学者们叫喊着：“但亚里士多德说过……”
伽利略回道：“亚里士多德心里常企图发现新真理。他如果有机会用我的望远镜去观察，他一定会改变他的观点的。”
“托马斯·阿奎纳教廷医生说过……你敢否认教廷宣布的真理？”教会人士大声怒吼。
“我是教会忠实的孩子。”伽利略辩护说。对那些攻击他不虔诚的人，他会重复巴朗尼主教的话：“圣灵在圣经上是教我们如何走向天堂，而不是天空。”
他将很多攻击他著作的争辩搁置一旁，他对命理学一向没有好感。现在他才晓得，世间只有7个天体，太阳和月亮包括在这“游星”中。“7”这个数字，从远古至今都被视为“吉祥数字”，怎敢有人增加4个卫星上去，而把这数字改成11呢？
佛罗伦萨有一位贵族名叫西积，他因攻击伽利略而使自己的声誉提高，他庄严地申述：“动物的头上开有7个窗孔：两个鼻孔、两只眼睛、两只耳朵和一个嘴。因此，在天上有两个善良的星、两个不吉祥的星、两个领导的星和一个好坏无定、漠然的水星。大自然里和这个雷同的现象，多得不胜枚举。我们可以说，行星的数目必定是7个…此外，这些木星的卫星，不是用肉眼就可以看到的，因此，地球不受影响；因此，它没有用处；因此，它不存在。”
西积拒绝在伽利略的实验室用望远镜观看，可能是他害怕看见木星的卫星。另一位意大利颇有声誉的哲学家黎百里，也拒绝观看和拒绝相信，他不久便去世了。伽利略说，他希望黎百里在他走向天堂的路上，可以看到围着木星的卫星。他这句轻率的话被攻击他的人引用，说他轻蔑神圣。
伽利略有时虽然很生气，但大多时候，他比他的敌人表现得更沉着、庄严。有时他甚至能以诙谐的态度处理这些他生命中最大的问题。1610年他写信给开普勒说：“你为什么不来这里呢？我们可以听到对这一大蠢事的叫号狂笑、争辩，好像他们有神奇的魔法，可以将这几个新月从天空中驱除哩！”
在这争辩的纷乱期间，伽利略继续不断地向天空搜寻。有一天夜晚，他惊奇地看见土星旁边少了一些侍卫的小星星。他写道：“它们突然飞走隐退了吗？难道这镜子真是欺骗了我和许多人？”5年以后，他把这迷惑而令人不解的侍从星群描述为“手柄”群。由于伽利略仪器的性能有限，他永远不能解释这群神秘的土星星环。
伽利略名气日增的消息使大公爵想起了他。伽利略虽未表示要在王宫觅得一席官职，却曾一再表示想回到故乡佛罗伦萨。大公爵生病时，公爵夫人克丽丝汀央求伽利略替她病中的丈夫绘制天宫图。这项命相术工作最使身为科学家的伽利略头痛，但又无法拒绝。伽利略的计算一向少有错误，唯独这次，他告诉公爵夫人，星象显示公爵可以很快康复，而大公爵却不幸很快就去世了。
柯西莫继死去的父亲后做上了斯卡尼君主。虽然他好像忘了他孩童时期约定聘请伽利略为王宫数学师之事，但他仍不时赠送伽利略贵重礼品，同时邀请他到王宫作客。伽利略将新发现的四个卫星命名为“麦第西星群”，以纪念大公爵。宫廷大臣温达随即建议伽利略回乡任职。
伽利略得到几个职位，担任两类工作：一是比萨大学首创数学教授的职位，这一职位使伽利略十分安慰，他曾经被这一学术首府轻视和疏忽过，如今能如此光荣回来，他感到十分快慰。另一个是担任多斯卡尼大公爵宫廷哲学及数学师，这一职位有权仲裁科学争论事宜。但他的主要工作，温达写道：“将是继续他的科学调查研究，以增加宫廷和城邦国家的荣耀”。
伽利略很高兴地和他的朋友们谈及：“我的薪金今后将足够家庭开销了。这两样工作都不会再压着我，损坏我的健康。我无需住在比萨，甚至不必在该处固定地排课，我可以把绝大多数的时间安排在实验室中。”
这次来伽利略家庆贺的教授中，有一位听了伽利略的话后，摇摇头说：“你是说，你希望继续观测和写作？”
“当然！我会有很多时间用来做发明、写机械学和宇宙组织。”
“伽利略，如同很多别的学者一样，我们都认为你是我们这一时代最伟大的有识之士。但是，在许多方面，你却像是一个纯真的小孩。你该知道某些教会的有权势人士，已经在大声攻击你第一本著作的发现。在帕多瓦，你已享受18年的完全自由。我似乎无需提醒你，我们威尼斯的统治者，对罗马的权势无所畏惧，必要时可以挺身而出，为你抗拒教会的审判。”
伽利略辩驳说：“在佛罗伦萨，我也可在多斯卡尼大公爵个人的保护之下。”
“据我们所知，多斯卡尼是在罗马圣父的压制下。”
伽利略仍争辩着：“必要时，我会亲自去罗马解释我的望远镜的发现过程。大主教和圣学院都会成为我的朋友，我没有理由去害怕教会的故意审判。”
另有人问道：“难道你觉得这18年来在帕多瓦的生活不快乐吗？”
伽利略回答说：“这是我生命里过得最快乐的时光。在此地我享受到真正的自由，没有自由，我不会有今天的成功。但是我绝不会忘记我父亲提起达·芬奇死在离开故土很远的他乡。朋友们，你们都同样爱你们的故乡，不管它是一个简陋的山谷村庄或者是亚得里亚海的天堂威尼斯。对我来说，佛罗伦萨是我的第一的、最亲爱的地方，我必须回到它的怀抱里。”
屋子里静寂了一阵，然后一位年纪最大的教授率先站起来，他说：“我们已经警告过你，伽利略。现在再没什么可说的了，朋友们。”他举起酒杯说：“在我们向这位对我们的大学有如此不朽光荣贡献的人离别之前，让我们一起祝福他继续成功和幸福。”
大家干杯的时候，伽利略偏过头去掩饰住自己的眼泪。他觉得再也不可能有那么多忠实的朋友团聚在他桌旁了。