Η ηλιοκεντρική θεωρία του Κοπέρνικου για τον τρόπο λειτουργίας του σύμπαντος αμφισβήτησε την ευρέως αποδεκτή πεποίθηση, την οποία υποστήριξε ο αστρονόμος Πτολεμαίος τον δεύτερο αιώνα, που έθεσε τη Γη στο κέντρο του ηλιακού συστήματος.
Το 1616, η Καθολική Εκκλησία κήρυξε την θεωρία του Κοπέρνικου αιρετική επειδή θεωρήθηκε ότι έρχεται σε αντίθεση με ορισμένους στίχους της Βίβλου, με τον Γαλιλαίο να λαμβάνει άδεια από την Εκκλησία ώστε να συνεχίσει να ερευνά τις ιδέες του Κοπέρνικου, αρκεί να μην τις συμμεριζόταν ή υπερασπιζόταν.
Το 1632 δημοσίευσε τον «Διάλογο περί των δύο Μεγίστων Συστημάτων του Κόσμου», και παρόλο που παρουσιάστηκε ως συζήτηση μεταξύ φίλων σχετικά με τις ιδέες του Πτολεμαίου και του Κοπέρνικου, το βιβλίο θεωρήθηκε ότι υποστηρίζει το μοντέλο του Κοπέρνικου. Ως αποτέλεσμα, ο Γαλιλαίος κλήθηκε στο Ιεροδικείο στη Ρώμη το 1633 και αφού κρίθηκε ένοχος για αίρεση, αναγκάστηκε να μετανοήσει δημόσια και καταδικάστηκε σε ισόβια κάθειρξη.
Αυτουργός της απόφασης των δικαστών για την καταδίκη του Γαλιλαίου φαίνεται πως ήταν ο Πάπας Ουρβανός Η’, ενώ τρεις από τους δέκα καρδιναλίους που συμμετείχαν στη δίκη, αρνήθηκαν να υπογράψουν την καταδίκη του επιστήμονα.
Η ποινή του, ωστόσο, σύντομα άλλαξε, από τον ίδιο τον πάπα, σε κατ ‘οίκον περιορισμό και έζησε τα τελευταία του χρόνια στη Villa Il Gioiello («Το Κόσμημα»), το σπίτι του στην πόλη Arcetri, κοντά στη Φλωρεντία. Στους όρους της αλλαγής της ποινής του ήταν η απαγόρευση δημοσίευσης οποιουδήποτε βιβλίου, καθώς και το γεγονός ότι δεν μπορούσε να δει φίλους και γνωστούς. Ωστόσο, δέχτηκε επισκέπτες από όλη την Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένου του φιλόσοφου Τόμας Χομπς και του ποιητή Τζον Μίλτον.
Επιπλέον, κατάφερε να λανσάρει λαθραία το χειρόγραφο για ένα νέο έργο ονόματι «Μαθήματα και μαθηματικές επιδείξεις σχετικά με δύο νέες επιστήμες», σχετικά με τη φυσική και τη μηχανική. Πρόκειται για το τελευταίο βιβλίο του Γαλιλαίου, το οποίο εκδόθηκε στην Ολλανδία το 1638. Την ίδια χρονιά ο Γαλιλαίος έχασε την όρασή του, ενώ πέθανε στις 8 Ιανουαρίου του 1642, σε ηλικία 77 ετών.
