En 1610, il parvient à inventer une lunette astronomique très performante et découvre alors l’existence de quatre satellites autour de Jupiter, puis celle des anneaux de Saturne.
Cela lui attire de vives critiques de la part des autorités religieuses : en février 1633, il est convoqué par le Pape. 
En 1632, il publie un ouvrage, Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, où il récapitule ses découvertes et réaffirme que la Terre tourne autour du Soleil. 