借助望远镜，伽利略看到了月球上的山和谷，看到了许多肉眼不能看到的恒星，看到了星云——由众多恒星聚合而成的云状天体。伽利略说，但是绕木星旋转的四颗卫星“是最重要的……”此前没有人发现它们；起初，伽利略以为他们是一些最新发现的固定不动的恒星，但是第二天，当他再次观察时，他发现它们移动了。
它们不断运动，时而现身，时而隐匿，一会儿出现在木星左边，一会儿又出现在木星右边。观测了一个星期后，伽利略大致勾画出了它们的运行轨迹，并得出了一个必然的结论：“它们围绕木星做圆周运动……且轨道不是正圆的。”伽利略的观测明确地证实了并不是所有天体都围绕地球旋转。《星际使者》（The Sidereal Messenger）出版数月之后，伽利略借助望远镜观测了金星不断变化的相——这用托勒密地心说体系是解释不通的，唯一说得通的解释便是，事实上，金星是环绕太阳旋转的。
亚里士多德学派物理学，在已经经受了伽利略自由落体实验的打击之后，又挨了一记。老的理论尽管已经衰亡，却仍有忠诚的信徒。帕多瓦最德高望重的哲学家恺撒·克里蒙尼尼（Cesar Cremonini）属于亚里士多德学派，他拒不肯通过伽利略的望远镜进行观测。“你怎么看待这里最著名的哲学家？”伽利略在写给天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）的信中尖锐地写道，“足有一千次，我主动向他展示自己的研究，但他像一条吃饱了的蟒蛇，固执、懒散，根本不肯看看那些行星，以及卫星……对于这种人……真理并不是在宇宙或自然中找到的，而是（我这里引用他们的原话）通过与权威文献进行比对找到的！”
一场艰苦卓绝的战役开始了：决战双方是古代权威与现实观察，是亚里士多德学派思想与培根主义的方法，是权威文献和亲眼所见。伽利略本人并没有正面驳斥亚里士多德学派的逻辑或哲学，但他绝不会将亚里士多德学派的物理学视作理所当然。后来，在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogue concerning the Two Chief World Systems）一书中，他让传统派角色辛普利修斯说出了反对者的意见。“如果要推翻亚里士多德，我们又该以谁作为引路人？”辛普利修斯问道。“当我们身处森林或陌生之地时，我们才需要引路人。”伽利略的发言人萨尔维亚蒂（Salviati）回答道，“在平坦开阔的地方，只有盲人才需要引路人。”哲学也许仍旧是一片未知的、树丛密布之地，但伽利略认为，物理学和天文学已经是平坦之地，任何拥有智慧和视力的人都能看到真相；地球已经被“从黑暗中举起，并暴露在青天白日之中”，他辩驳道。亚里士多德本人也会认同新发现——也会愿意对自己的物理学做出相应的调整。
但亚里士多德的信徒们对此不以为然。其中不仅仅有哲学家和学者（他们除了提出异议之外别无所能），还有负责宗教裁判的神职人员，他们的确是大权在握。
到17世纪初期，核心位于罗马的教会神学已经完全亚里士多德学派化了。托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas）于13世纪将基督教的启示与亚里士多德学派的形而上学相结合，这一伟大的举动影响了罗马基督教。这一结合的核心要素是进行了一个严格的区分，即区分了通过理性和感觉发现的事物（比如关于自然界的真理）与那些只能通过神的启示才能理解的现实（比如说上帝的本质）。这一区分看似可以与伽利略的观点极好地切合，实际上却包含了一个致命的矛盾：《圣经》作为上帝的神谕因此应该属于第二种真理——一种无法通过感觉或思考来理解的真理。《圣经》必须被接受，而不是被分析——这一点与亚里士多德的作品极为相似。
伽利略的发现是双重反叛：不仅与亚里士多德相抵触，也与《圣经》几个篇章的字面意义相龃龉。多亏了望远镜，星球的运动不再被随意解释为“拯救现象”的数学伎俩。
1615年，罗马教皇保罗五世（Pope Paul V）任命主教罗伯特·贝拉明（Robert Bellarmine）对伽利略的研究及其蕴含的意义展开一次正式的调查。尽管《星际使者》中，伽利略的观察就表明了他接受了日心说，但伽利略本人并未撰写任何文章去明确地为这一观点进行辩护。因此，在调查了一年后，贝拉明提出，不应把伽利略的研究，而应该把哥白尼的《天体运行论》列为异端的、应受谴责的文本［《禁书目录》（Index Librorum Prohibitorum）］。但他在一次私人的正式会面中警告伽利略，不要再公开支持哥白尼了。
卡莫雷特（Carmelite）僧人保罗·安东尼奥·福斯卡里尼（Paolo Antonio Foscarini）曾为哥白尼体系辩驳，认为其与《圣经》毫无冲突，为此，贝拉明致信给他，建议他把日心说模型只作数学研究之用。贝拉明写道：
在我看来，（你）和伽利略先生要谨慎行事，你们只要控制自己的语气，要推测性的，不要过于绝对就可以了……因为，单单只是猜测地球运动而太阳不动是没有危险的，这一猜测的确比偏心圆和本轮的假设更贴合实际……但是，想要证明太阳位于宇宙中心……并且地球……绕着太阳快速旋转却是另一回事；这非常危险，不仅仅会激怒所有哲学家和神学家，还会因为指出了《圣经》的错误而伤害了人们神圣的信仰。
“推测性的”言论既可以保护《圣经》，又可以保护亚里士多德：一举两得。
贝拉明并没有明说通过望远镜观测到的证据可以被忽视。他的数学不够好，因而理解不了伽利略的结论。在他看来，日心说是没有根据的（而且，公正地说，伽利略也并未解决地球为何看起来明显恒居不动的问题）。事实上，如果有证据的话，贝拉明还是希望能重新考察的：
如果真的有实验能证明太阳位于宇宙中心……且太阳并不是绕着地球运动，而是地球绕着太阳运动，那么，当人们试图解释与这一结果明显抵触的《圣经》时就要非常小心了，他们最好要说，我们无法理解《圣经》，而不要说，经证明《圣经》是错的。但是，如非亲眼所见，我是不会相信会存在这样的实验的。
在伽利略听来，这一宣言无疑是一个挑战。1616年，伽利略开始传阅自己的手稿《论潮汐》（“On the Tides”），此文章认为，只有承认地球一边绕自身轨道自转，一边绕日旋转，才能对海水的运动进行合理解释。他一贯的支持者约翰尼斯·开普勒——当时担任神圣罗马帝国皇帝的御用数学家——此时正在研究行星的新轨道，这些新轨道极大地提高了哥白尼模型的准确性。
接下来的16年，伽利略一一解决了日心说模型遗留的问题。他可以合理地解释为何地球看上去明显是恒居不动的，借助一个类比：将物体从船的桅杆上扔下，即使船在移动，物体每次也总能坠落在桅杆底部。
他不断研究潮汐问题以及金星的相。最终，于1632年，他将所有的结论汇编成为一部主要作品：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
此时，贝拉明已经辞世约12年了。但考虑到宗教裁判所仍旧存在并活跃着，《对话》一书就被设定为一个假设性的讨论——在三位朋友之间的一场争论，争论的主题是地心说或地球运动模型在理论上是否可以称为对宇宙最精准的描述。哥白尼模型的捍卫者是思维缜密而机智聪慧的萨尔维亚蒂和萨格莱多（Sagredo）；而宗教裁判所的所有意见则由那个最冷漠、最无知、最无能的辛普利修斯来传达，他愚忠于亚里士多德，愿意为其而拒绝理性。
伽利略的这一计谋让《对话》成功通过了来自多明我会神学家尼科罗·里卡尔蒂（Niccolo Riccardi）的第一次审查，但是里卡尔蒂要求在书的前言部分必须明确地表态：教会反对日心说是完全合理的。此外，他还要求在书的结尾部分加上一个免责声明，以提醒读者，要理解潮汐现象并非一定要借助于地球转动。伽利略很快便写了一篇极具讽刺意味的前言。（“几年前，为了根本消除我们目前面临的危险，罗马曾颁布了一条有益的法令，强制推行适时的禁言政策……关于地球运动的观点不要再出现。”）伽利略还通过辛普利修斯之口道出了最终的断言，即上帝“拥有无限的力量和智慧”，也许就是上帝导致了潮汐，“尽管这凭我们凡人的智力来看是难以置信的”。
里卡尔蒂似乎对这篇前言很满意，看样子他并不怎么读书，1632年2月，在佛罗伦萨就印刷了1000本《对话》。这些书很快就卖光了。第二年早春的时候，一位比里卡尔蒂耳尖的牧师听出了讽刺之意，他指责伽利略公然违背了贝拉明当初的警告。
伽利略反驳说，《对话》明显是假设性的，他既不支持也没有捍卫日心说——只不过就此展开讨论罢了（而这得到了贝拉明明确的允许）。但当时宗教裁判所的负责人，红衣主教文生·马古拉诺（Vincenzo Maculano），对此不以为然。1633年春天，伽利略被迫来到罗马为自己辩护。听了伽利略的辩解，马古拉诺却始终不为所动，4月28日，马古拉诺威胁这位老人说，若他仍不肯坦白自己违背了贝拉明的戒律，他就要遭受“更严苛的程序”。
更严苛的程序：这是酷刑的代称，于是伽利略——时年已经七旬有余，且有病在身——不得不屈服了。6月22日，伽利略跪倒在一群牧师面前，他顺从了，说道：“我放弃自己的谬见，即认为太阳位于宇宙中心且固定不动。”伽利略认罪后，便被马古拉诺判以软禁，马古拉诺命令他三年内每周都要背诵一次《圣经》中的七首悔罪诗，并永远将《对话》列为禁书。
软禁期间，伽利略又开始研究运动；1638年，对非亚里士多德学派物理学的探索——《两种新科学的对话》（Two New Sciences）一书在莱顿（Leiden）出版。因为在莱顿，出版不需要经过教会的审查批准。1642年，伽利略辞世，但此时对他的裁判仍旧有效，《对话》仍旧被列在《禁书目录》。
但是在宗教裁判所势力范围之外的地方，《对话》一直在为人传阅：整个欧洲都在重印它，阅读它，并于1661年被翻译成了英文。伽利略去世后不到25年的时间，地心说模型就终结了，亚里士多德学派物理学几乎被一种新的思想完全取代。