1612-ben komoly ellentéteket talált a Föld mozgásának elméletében és átgondolta Kopernikusz nézeteit. A XVII. századi Itáliában az egyházban rendkívüli hatalma volt, akik nem értettek egyet tanításaival, azokat eretneknek tekintették és büntetés várt rájuk. Galilei tudta, hogy csillagászati názetei miatt bajba fog kerülni, hiszen az egyház a geocentrikus rendszert fogadta el. 1616-ban egyházi vizsgálat után börtönbüntetés terhe mellett megtiltották neki, hogy akár szóban, akár írásban támogassa Kopernikusz nézeteit. Firenzébe visszatérve folytatta fizika kutatásait. Tevékenységének néhány eredményét Feladatok című könyvében publikálta 1623-ban. Régi barátját Maffeo Barberinit pápává választották. Ő megengedte hogy olyan könyvet írjon, amelyben összehasonítja és egyensúlyba hozza a régi és az új csillagászati elméleteket. Ez a könyv a Dialógus a két legnagyobb világrendszerről címet viseli, amely 1632-ben jelent meg. A Dialógust először elfogadták az egyházi méltóságok, a tudósok pedig mesterműnek tisztelték. Ám kiderült, hogy a könyv korántsem teremt egyensúlyt a két csillagászati nézet között. 1633. februárjában Galileit ismét Rómába idézték.  Eretnekséggel vádolták, hogy felrúgta a megállapodást, mely szerint soha többé nem védi Kopernikuszt és nem támadja az egyház tanításait. Az inkvizíciót elítélte minden könyvét betiltották, őt magát pedig életfogytiglani börtönre ítélték.