Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы – как комбинации простейших причин, главная из которых – механическое движение. Анализ механического движения он описал в своем труде «Пробирных дел мастер». Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени. В соответствии со своим научным методом он тут же привел опытные данные, подтверждающие открытые им законы. В 1624 году Галилей опубликовал книгу «Письма к Инголи», в которой он отвечает на антикоперниканский трактат богослова Франческо Инголи. Галилей сразу оговаривает, что не собирается защищать коперниканство, а хочет всего лишь показать, что у него имеются прочные научные основания.
В 1629 году женился Винченцо, сын Галилея. Он с женой поселился у отца, и на следующий год родился внук ученого, которого назвали в честь деда Галилео. Но во время эпидемии чумы 1630 года Винченцо с семьей уезжает из Флоренции в Пизу. В следующем году Галилей поселился в поселке Арчетри на вилле, которую ему подарил Козимо II. Арчетри находится недалеко от церкви Сан-Миньято и современной площадки Микеланджело во Флоренции. Он давно хотел туда переехать, потому что там рядом был францисканский монастырь, где жили его дочери Ливия и Вирджиния. Ливия приняла в монашестве имя Арканжела, но она часто болела и умерла в возрасте 33 лет. Вирджиния приняла при постриге имя Мария Челесте, она переписывалась с отцом и встречалась с ним. Галилей привозил ей в монастырь продукты, Мария Челесте варила ему варенье из яблок и чинила одежду.
В марте 1630 года ученый почти закончил работу над книгой «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой», это был результат почти тридцати лет его исследовательской работы. Он решает, что пора ее опубликовать, потому что наступил благоприятный момент: инквизиция его не трогала, а папа Урбан VIII – это его давний хороший знакомый. Чтобы книга прошла цензуру, Галилей идет на хитрость: он добавляет предисловие, где объясняет своей целью развенчание коперниканства. После одобрения тосканской цензурой Галилей отправляет рукопись в Рим. В следующем году он, наконец, получает разрешение на публикацию, и в 1632 году его труд был издан.
Книга написана в виде диалога между тремя персонажами: ученым Сальвиати, сторонником коперниканства, нейтральным участником Сагредо и простаком Симпличио – сторонником Аристотеля и представителем церкви. Главным условием публикации книги было доказать правоту учения церкви. Но Галилей так увлекся, что его простак Симпличио выглядел просто глупцом по сравнению с Сальвиати. Несмотря на то что выводов в книге не было, правда была явно на стороне коперниканства. К тому же все, кто читал книгу, узнали в Симпличио понтифика и его аргументы. Ученый надеялся, что папа отнесется к этому снисходительно, и даже сам бездумно разослал 30 экземпляров своей книги влиятельным духовным лицам. Но он просчитался: Урбан VIII пришел в такую ярость, что приказал немедленно запретить «Диалог» и изъять из продажи уже выпущенные экземпляры. Чаша терпения понтифика была переполнена, и в октябре 1632 года, несмотря на эпидемию чумы, Галилея вызывают в Рим на суд инквизиции по подозрению в ереси.
Герцог Фердинанд II был новым покровителем ученого, он пытался вызволить из беды своего старого учителя, которому было уже 68 лет, или хотя бы добиться отсрочки по причине его здоровья и эпидемии чумы. Он сумел протянуть несколько месяцев, но все было напрасно: 13 февраля 1633 года, за два дня до своего 69-летия, Галилею пришлось отправиться в Рим. Благодаря хлопотам Фердинанда Медичи ученого разместили в Тосканском посольстве в Риме, а на первый допрос вызвали только через два месяца: 12 апреля 1633 года. Ему были предъявлены обвинения в том, что он распространяет запрещенное церковью учение о гелиоцентризме и ввел в заблуждение цензора насчет содержимого книги. Дело в том, что для цензуры Галилей отослал сокращенную, более мягкую версию «Диалога». Ученому напомнили о том, что уже в 1616 году ему было официально запрещено защищать коперниканство. Но он тогда не послушался, значит сознательно пошел против Церкви и против запрета папы. Это означало, что Галилей является закоренелым еретиком и ему грозит участь Джордано Бруно. Документы были фальшивые, на самом деле запрета не было, был только совет Урбана VIII не защищать коперниканство.