1610 年 3 月，伽利略出版《星際信使》，書中繪製他用自製的高倍望遠鏡觀測到的天體，包括月球崎嶇不平的表面，以及木星的四顆衛星等等，顛覆了亞里斯多德的主張，天界並非如他所說完美無瑕，有些天體也不是繞著地球轉。
半年後，伽利略再把望遠鏡瞄向金星，原本只是夜空中的小亮點，如今在望遠鏡中竟顯現出和月亮一樣的盈虧變化。奇特的是，金星不像月亮那樣始終大小如一，而是盈的時候小，虧的時候大。顯然金星與地球的距離時近時遠才會這樣，因此它的運行軌道肯定不是以地球為圓心，伽利略斷定唯一的可能就是金星繞著太陽轉。
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哥白尼於 1543 年臨終前出版《天體運行論》，提出日心說行星模型，但由於準確度並沒比較地心說的托勒密模型好，又缺乏確切證據，因此一直沒有多少人相信。如今伽利略發現金星盈虧，讓身為哥白尼信徒的他大為振奮，有了這眼見為憑的天文現象，日心說終於可以吹起反攻的號角。
其實伽利略原本已有相當的學術聲望，研製出高倍望遠鏡後更炙手可熱，王公貴族們都渴望也能有副望遠鏡，可以大開眼界。1611年春天，伽利略訪問羅馬，將一具望遠鏡當面獻給教宗，獲得公開表揚，個人聲望更達顛峰。伽利略志得意滿，又認定教廷對於日心說持開放態度，開始肆無忌憚地駁斥地心說。
1615年，伽利略寫信給托斯卡納 (Tuscany) 大公國的大公夫人，針對前年年底他的弟子卡斯提利 (Benedetto Castelli) 和大公夫人的爭辯，提出長達 40 頁的補充論述。伽利略在信中除了宣揚日心說，特別就地球轉動是否違背聖經內容提出辯駁，直指教條主義式的解釋才是曲解聖經。不料這封信被轉交到羅馬宗教裁判所，伽利略被指控企圖顛覆教義，他只好前往羅馬提出辯解。
以往哥白尼的日心說只是無稽之談，宗教裁判所原本不屑一顧（布魯諾於 1600 年因異端言論被處以火刑，但如上一篇〈布魯諾被燒死是因為日心說嗎？〉所說，他的多項罪名中並不包括日心說。），但現在伽利略已讓他們感受到的日心說的潛在威脅，於是很快地在 1616 年 2 月正式宣布哥白尼學說是異端言論，同時將他的《天體運行論》列為禁書。伽利略本人倒是平安無事，只被鄭重告誡不准再宣揚日心說。
此後幾年，伽利略安分地不再談論日心說，直到 1623 年紅衣主教馬費奧·巴貝里尼 (Maffeo Barberini) 當選為教宗烏爾班八世 (Pope Urban VIII)，這被伽利略視為天賜良機，開始蠢蠢欲動。新任教宗不僅是他的多年好友，也是他的支持者，曾表態反對施予伽利略的言論禁制，如今登上大位，或許能改變教會的教條主義，讓日心說獲得平反。
不過對烏爾班八世而言，面對新教日益坐大，首要任務是鞏固天主教以及教廷本身的勢力範圍，因此他不願也不能與保守派對抗。他善意提醒計畫寫書的伽利略，要列出日心說正反兩方的論點，千萬不要變成在宣揚日心說。1632 年，伽利略的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》出版，虛構兩名分別支持地心說與日心說的人物，以對話的形式展開辯論。
雖然伽利略的確有遵循烏爾班八世的建議，但書中支持地心說的角色卻顯得笨拙許多，常常無法自圓其說。更糟的是，這個角色的名字也有笨蛋的涵義，而他還吐出烏爾班八世說過的話，讓有心人士指控伽利略不但藉這本書宣揚日心說，還故意取笑教宗。
就算伽利略並沒有這個意思，烏爾班八世也不能視若無睹，以免顯得軟弱無能，因此縱然有多年交情，烏爾班八世仍默許宗教裁判所將伽利略傳喚到羅馬接受審訊。伽利略於隔年二月抵達羅馬，17 年前他也是為了日心說來此接受審判，幸運地只有受到口頭警誡，但這次他已無法全身而退了。
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經過幾個月的審訊，1633 年 6 月 22 日判決確定，伽利略有宣揚日心說異端思想之嫌，必須發誓放棄並反對這些論點；他終身必須軟禁在家中，《對話》一書將被查禁，他此後也不得再出版任何著作。
伽利略自此在家中度過餘生，但他並未遵從著作禁令，仍埋首書寫，將他四十年來在物理方面的研究，總結成《論兩種新科學及其數學演化》一書。1638 年，伽利略完全失明，所幸這本鉅著順利在教廷管轄之外的荷蘭出版。1642 年1 月，健康日益惡化的伽利略終因病過世，享年 77 歲。
如今人們都會記得伽利略因宗教審判遭到終身軟禁，感念他為日心說所做的犧牲。但很多人都不知道他更早之前就已經為了日心說受過一次宗教審判，思及這點，更令人敬佩他追求科學真理的執著與勇氣。
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