Galileo khám phá ra điều gì về mặt trăng?

Từ tháng 9 năm 1610, Galileo quan sát thấy Sao Kim có đủ các tuần tương tự như Mặt Trăng. Mô hình nhật tâm của hệ mặt trời được Nicolaus Copernicus phát triển tiên đoán rằng tất cả các pha phải được quan sát thấy bởi Sao Kim quay quanh Mặt trời sẽ khiến phần được chiếu sáng của nó quay về phía Trái Đất khi nó ở phía đối diện của Mặt trời và quay đi khi nó ở cùng phía với Trái Đất. Trái lại, mô hình địa tâm của Ptolemaeus dự đoán rằng chỉ trăng lưỡi liềm và các tuần mới mới có thể được quan sát, bởi Sao Kim được cho là nằm giữa Mặt Trời và Trái Đất khi nó quay quanh Trái Đất. Các quan sát của Galileo về các tuần của Sao Kim chứng minh rằng nó quay quanh Mặt trời và là bằng chứng ủng hộ (nhưng không chứng minh cho) mô hình nhật tâm. Tuy nhiên, bởi nó bác bỏ mô hình hành tinh hoàn toàn địa tâm của Ptolemaeus, dường như nó là quan sát có tính quyết định khiến đa số cộng đồng khoa học thế kỷ XVII quay sang ủng hộ các mô hình nhật-địa tâm (tất cả các hành tinh chuyển động xung quanh Mặt trời nhưng Mặt trời quay quanh Trái Đất)[40] và địa tâm như các mô hình Tycho và Capella, và vì thế được cho là quan sát thiên văn quan trọng nhất của Galileo.

Galileo là người đầu tiên thông báo về các ngọn núi và hố va chạm trên Mặt Trăng, mà ông cho sự hiện diện của nó bởi các kiểu mẫu sáng và tối trên bề mặt Mặt Trăng. Thậm chí ông còn ước tính chiều cao của các ngọn núi từ các quan sát đó. Điều này dẫn ông tới kết luận rằng Mặt Trăng là "xù xì và không bằng phẳng, và giống như chính bề mặt của Trái Đất," chứ không phải là một mặt cầu hoàn hảo như Aristoteles đã tuyên bố. Galileo quan sát Ngân hà, trước đó được cho là một tinh vân, và thấy rằng nó là tập hợp những ngôi sao trong một vùng quá đặc khiến nó trông như một đám mây từ Trái Đất. Ông định vị nhiều ngôi sao khác quá xa để có thể thấy bằng mắt thường. Galileo cũng quan sát Sao Hải Vương năm 1612, nhưng không nhận thấy rằng nó là một hành tinh và không có chú ý đặc biệt đến nó. Trong cuốn sổ ghi chép của ông nó xuất hiện như một ngôi sao tối không đáng chú ý.