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伽利略家族姓伽利雷（Galilei），他的全名是Galileo Galilei，但現已通行稱呼他的名Galileo，而不稱呼他的姓。因為翻譯問題，所以姓眾說紛紜，以伽利雷為準。
1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的著名試驗，從此推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學說，糾正了這個持續了2000年之久的錯誤結論。
但是伽利略在比薩斜塔做試驗的說法後來被嚴謹的考證否定了。儘管如此，來自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看做伽利略的紀念碑。
1609年，伽利略創制了天文望遠鏡（後被稱為伽利略望遠鏡），並用來觀測天體。他發現了月球表面的凹凸不平，並親手繪製了第一幅月球表面圖。1610年1月7日，伽利略發現了木星的四顆衛星，為哥白尼學說找到了確鑿的證據，標誌著哥白尼學說開始走向勝利。藉助於望遠鏡，伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的週日和周月天平動，以及銀河是由無數恆星組成等等。這些發現開闢了天文學的新時代。為了紀念伽利略的功績，人們把木衛一、木衛二、木衛三和木衛四命名為伽利略衛星。
伽利略著有《星際使者》《關於太陽黑子的書信》《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》《關於兩門新科學的談話和數學證明》和《試驗者》。學伽利略為牛頓的牛頓運動定律第一、第二定律提供了啟示。他非常重視數學在應用科學方法上的重要性，特別是實物與幾何圖形符合程度到多大的問題！他還推翻亞里士多德的話。他善於提問，不問個水落石出不罷休。許多高年級同學也經常因為被他問倒而難堪。
1564年2月15日，伽利略·伽利雷出生在義大利西海岸比薩城一個破落的貴族之家。據說他的祖先是佛羅倫薩很有名望的醫生，但是到了他的父親伽利略·凡山杜這一代，家境日漸敗落。凡山杜是個很有才華的音樂家，生前出版過幾本牧歌和器樂作品，他的數學也很好，精通希臘文和拉丁文和英語，但是美妙的音樂不能填飽一家人的肚皮，他的數學才能也不能給他謀到一個好職位。大約在小伽利略出生不久，凡山杜在離比薩城不遠的佛羅倫薩開了一間賣毛織品的小鋪子，這完全是不得已的辦法。但是為了維持一家人的生活，凡山杜只好違背自己的意願去經商。
父親對兒子寄予很大希望。他發現，小伽利略非常聰明，從小對什麼事物都充滿強烈的好奇心。不僅如此，這個孩子心靈手巧，他似乎永遠閒不住，不是畫畫，就是彈琴，而且時常給弟弟妹妹做許多靈巧的機動玩具，玩得十分開心。
小伽利略最初進了佛倫勃羅薩修道院的學校。在這所學校，他專心地學習哲學和宗教，有段時間，小伽利略很想將來當一個獻身教會的傳教士。但是凡山杜聽到這個情況後，立即把兒子帶回家，他勸說伽利略去學醫，這是他為兒子的未來早已設計好的一條路。
17歲那年，伽利略進了著名的比薩大學，按照父親的意願，他當了醫科學生。比薩大學是所古老的大學，學校圖書館藏書豐富，這很合伽利略的心意，但是伽利略對醫學並沒有多大興趣，他很少上課，一上課就對教授們教課的內容提出這樣那樣的疑問，使教授們難於回答，在教授們的眼裡，伽利略是個很不招人喜歡的壞學生。不過，伽利略只是興趣不在醫學，他孜孜不倦地學習數學、物理學等自然科學，並且以懷疑的眼光看待那些自古以來被人們奉為經典的學說。
1583年，伽利略在比薩教堂裡注意到一盞懸燈的擺動，隨後用線懸銅球作模擬實驗，確證了微小擺動的等時性以及擺長對週期的影響，由此創制出脈搏計用來測量短時間間隔。1585年因家貧退學，擔任家庭教師，但仍奮力自學。1586年，他發明了浮力天平，並寫出論文《小天平》。
1587年他帶著關於固體重心計演算法的論文到羅馬大學求見著名數學家和曆法家C.克拉維烏斯教授，大受稱讚和鼓勵。克拉維烏斯回贈他羅馬大學教授P.瓦拉的邏輯學講義與自然哲學講義，這對於他以後的工作大有幫助。
1588年他在佛羅倫薩研究院做了關於但丁《神曲》中煉獄圖形構想的學術演講，其文學與數學才華大受人們讚揚。次年發表了關於幾種固體重心計演算法的論文，其中包括若干靜力學新定理。由於這些成就，當年比薩大學便聘請他任教，講授幾何學與天文學。第二年他發現了擺線。
當時比薩大學教材均為亞里士多德學派的學者所撰，書中充斥著神學與形而上學的教條。伽利略經常發表辛辣的反對意見，由此受到校內該學派的歧視和排擠。1591年其父病逝，家庭負擔加重，他便決定離開比薩。
1592年伽利略轉到帕多瓦大學任教。帕多瓦屬於威尼斯公國，遠離羅馬，不受教廷直接控制，學術思想比較自由。在此良好氣氛中，他經常參加校內外各種學術文化活動，與具有各種思想觀點的同事論辯。此時他一面吸取前輩如N.F.塔爾塔利亞、G.B.貝內代蒂、F.科門迪諾等人的數學與力學研究成果，一面經常考察工廠、作坊、、礦井和各項軍用民用工程，廣泛結交各行業的技術員工，幫他們解決技術難題，從中吸取生產技術知識和各種新經驗，並得到啟發。
在此時期，他深入而系統地研究了落體運動、拋射體運動、靜力學、水力學以及一些土木建築和軍事建築等；發現了慣性原理，研製了溫度計和望遠鏡。
1597年，他收到J．開普勒贈閱的《神秘的宇宙》一書，開始相信日心說，承認地球有公轉和自轉兩種運動。但這時他對柏拉圖的圓運動最自然最完美的思想印象太深，以致對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。
1604年天空出現超新星，亮光持續18個月之久。他便趁機在威尼斯作幾次科普演講，宣傳哥白尼學說。由於講得精彩動聽，聽眾逐次增多，最後達千餘人。
1609年7月，盛傳一荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。他未見到實物，思考竟日後，用風琴管和凸凹透鏡各一片製成一具望遠鏡，倍率為3，後又提高到9。他邀請威尼斯參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景，觀者無不驚喜萬分。參議院隨後決定他為帕多瓦大學的終身教授。1610年初，他又將望遠鏡放大率提高到33，用來觀察日月星辰，新發現甚多，如月球表面高低不平，月球與其他行星所發的光都是太陽的反射光，水星有4顆衛星，銀河原是無數發光體的總彙，土星有多變的橢圓外形等等，開闢了天文學的新天地。是年3月，出版了他的《星空信使》一書，震撼全歐。隨後又發現金星盈虧與大小變化，這對日心說是一強有力的支援。
伽利略日後回顧在帕多瓦的18年時，認為這是他一生中工作最開展、精神最舒暢的時期。事實上，這也是他一生中學術成就最多的時期。
20年來伽利略在物理學和天文學研究上的豐碩成果，激起了他學術上的更大企求。為了取得有充裕時間致力於科學研究，1610年春，他辭去大學教職，接受託斯卡納公國大公聘請，擔任宮廷首席數學家和哲學家的閒職與比薩大學首席數學教授的榮譽職位。
為了使科學免受教會干預，伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬，目的在於贏得宗教、政治與學術界認可他在天文學上的發現。他在羅馬受到包括教皇保羅五世和若干高階主教在內的上層人物的熱情接待，並被林賽研究院接納為院士。當時耶穌會的神父們承認他的觀測事實，只是不同意他的說法。這年5月，在羅馬大學的大會上，幾個高職位的神父公開宣佈了伽利略的天文學成就。
同年，他觀察到太陽黑子及其運動，對比黑子的運動規律和圓運動的投影原理，論證了太陽黑子是在太陽表面上；他還發現了太陽有自轉。1613年他發表了3篇討論太陽黑子問題的通訊稿。另外，1612年他又出版了《水中浮體對話集》一書。
1615年，一詭詐的教士集團和教會中許多與伽利略敵對的人聯合攻擊伽利略為哥白尼學說辯護的論點，控告他違反基督教義。他聞訊後，於是年冬第三次去羅馬，力圖挽回自己的聲譽，企求教廷不因自己保持哥白尼觀點而受到懲處，也不公開壓制他宣傳哥白尼學說，教廷預設了前一要求，但拒絕了後者。教皇保羅五世在1616年下達了著名的“1616年禁令”，禁止他以口頭的或文字的形式保持、傳授或捍衛日心說。
1624年，他第四次去羅馬，希望故友新任教皇烏爾邦八世能夠同情並理解他的意願，以維護新興科學的生機。他先後謁見6次，力圖說明日心說可以與基督教教義相協調，說“聖經是教人如何進天國，而不是教人知道天體是如何運轉的”；並且試圖以此說服一些大主教，但毫無效果。烏爾邦八世堅持“1616年禁令”不變；只允許他寫一部同時介紹日心說和地心說的書，但對兩種學說的態度不得有所偏倚，而且都要寫成數學假設性的。在這辛勤奔波的一年裡，他研製成了一臺顯微鏡，“可將蒼蠅放大成母雞一般”。