当21岁的威廉·哈维来到帕多瓦并就读于医学学校时，伽利略·伽利雷已经是那里的数学教授了。
伽利略比哈维大14岁，是位广受欢迎的老师；他的课必须要在学校最大的礼堂中进行，因为只有这个拥有2000个座席的礼堂才能容纳来自大陆各地的专程来听他讲课的学生。但是我们没有发现哈维的听课记录。“数学”是一个涵盖面很广的术语，人们期望伽利略的课程可以涵盖算术、几何学、天文学、物理学、军事防御学以及工程学。而这些学科与哈维的课程目标并没有交集。当时同现在一样，医学教育是一门高度专业化且闭塞的学科。
在比萨大学（University of Pisa）度过了三年不愉快的时光后，伽利略来到了帕多瓦。他对亚里士多德学派物理学的批判越来越强烈，由于观点相左，比萨的传统主义者并不欢迎他。一位大学赞助人发明了一种河道疏浚机，伽利略直言讥讽其“毫无用处”（还实际演示了该模型多么糟糕），窘迫的设计者于是加入了伽利略的敌营。
因此，1592年，当帕多瓦的那所大学向他伸出橄榄枝时，伽利略便立刻接受了。但他在比萨的时间并没有虚度。其间他撰写了一系列关于力和运动的文章，虽然没有发表，却广为传阅；其中，《论运动》（De motu）向解决哥白尼体系中最棘手问题迈出了第一步。
而此时，伽利略并没有特别关注天体，他所关注的是靠近地表的事物。晚年，他写道，当他看到大块小块的雹子同时砸向地面时，他便开始怀疑亚里士多德学派物理学了。据亚里士多德的理论，大物体比小物体坠落得更快，因此上述情况的发生只能是因为大雹子的坠落点更高。（落体之所以这样是因为它们寻求自己的“自然位置”——对于由重物质组成的物体而言，“自然位置”就是宇宙的中心。大块物体因为含有更密集的重物质，因而比小块物质坠落得更快。）
伽利略不相信所有的大雹子都是从更高的天空上坠落下来的。从《论运动》的文章中也可看出，还在比萨时，他就进行了一系列的实验和演示，结论明显与亚里士多德的运动物理学相抵触。
大约70年后，意大利数学家、伽利略的学生、助理温琴佐·维维亚尼（Vincenzo Viviani）撰写了第一部伽利略传记。该书坚称，伽利略推翻了亚里士多德：他反复地进行实验，将重量不等的重物“从比萨斜塔的顶端”抛下，发现它们一定会同时落地。但维维亚尼的传记在时间和地点上错误百出，因此，人们对他天花乱坠的表述也极为怀疑。但是，斯蒂尔曼·德雷克（Stillman Drake）在对伽利略思想的经典研究中指出，伽利略当众演示，极有可能是为了能让比萨的学生们亲眼见到可以证明他的研究的证据。伽利略坚信真理一定是可以被证明的。“真理……并不像许多人认为的那样被深深地掩藏起来，”伽利略在《论运动》第9章中写道，“自然将（它）清清楚楚地公之于众，没有比这个再显而易见的了。”

图10.1 伽利略的自由落体实验
但是，在伽利略生活的那个时代，培根主义方法——通过反复实验来验证真理——仍旧不及权威和传统的地位。40年后，伽利略用尖锐的笔触写道：一位威尼斯哲学家观摩了一次公开解剖实验，实验者是一位有名的解剖学家，他要推翻亚里士多德的观点——所有神经都源于心脏：
解剖学家证明，粗大的神经干从大脑出发，经过颈部，延伸至脊柱，然后分支到全身，其中只有如线一般纤细的一支到达了心脏。为了（说服）哲学家，解剖学家极为细致地进行展示和论证。解剖学家转向（哲学家），问解剖结果是否令他满意，他是否相信神经是源于大脑的……哲学家考虑了一会儿，回答道：“你把结果如此清楚地摆在我眼前，如果不是因为亚里士多德的著作观点与你的结果相抵触，如果不是因为他曾明确表示神经是源于心脏的，我一定会承认你的实验结果是正确的。”
亲眼所见也不能相信。
伽利略并没有公开出版《论运动》，很有可能是因为他仍有一些关键问题没有得到满意的答案。但是他仍在继续“观察”。来到帕多瓦大约15年后，他学会使用一种新的工具，这个工具延展了他的视力；在荷兰从业的眼镜商汉斯·利伯希（Hans Lippershey）将用来矫正远视眼的凸透镜和矫正近视眼的凹透镜组装起来，创造出了一种新工具。1608年10月2日，利伯希向荷兰立法机关，即当局为“望远镜”申请专利保护。
当局从利伯希那里买走了一台望远镜，但是拒绝了他的申请。不到一年的时间，欧洲各处都在组装望远镜了。1609年，伽利略来到威尼斯，这是他第一次见到望远镜。一回到家，他便立刻开始工作，他打磨自己的镜片，试图提高望远镜的折射力。
利伯希的望远镜只不过比肉眼观察清晰一点点而已；伽利略试图增加望远镜的放大倍数到大约20倍。从第一次见到望远镜之后，只用了一年的时间，伽利略便发表了一篇基于观测的天体研究论文。“恒星（星际）使者为我们展示了一幅伟大壮丽的图景。”他在扉页如是写道，“我们仰视月球的表面，无数固定的恒星、银河以及模糊的恒星，但尤其是仰视与木星距离不等的四颗卫星，它们环绕木星以不同的周期疾速运转。”