Il construisit l'un des premiers microscopes et, en 1609, une lunette avec laquelle il découvrit les taches du Soleil, le relief de la Lune, les satellites de Jupiter et les phases de Vénus. Proche de Copernic considéré comme hérétique, on lui interdit de professer. Quelques années plus tard, revenu à Florence, il démontre l'exactitude de son système de "philosophie naturelle".