Galileo e Viviani, 1892, Tito Lessi

Công trình lý thuyết và thực nghiệm của Galileo về chuyển động của các thiên thể, cùng với công trình phần lớn độc lập của Kepler và René Descartes, là sự khởi đầu của cơ học cổ điển được Isaac Newton phát triển.

Một tiểu sử do học trò của Galileo Vincenzo Viviani nói rằng Galileo đã thả những quả bóng bằng cùng vật liệu, nhưng có trọng lượng khác nhau, từ Tháp nghiêng Pisa để chứng minh rằng thời gian rơi của chúng không phụ thuộc vào trọng lượng.[82] Điều này trái ngược với điều Aristoteles đã dạy: rằng các vật thể nặng rơi nhanh hơn các vật thể nhẹ, liên quan trực tiếp tới trọng lượng.[83] Tuy câu chuyện đã được kể lại nhiều lần, không có lời nào nói rằng chính Galileo đã làm một thực nghiệm như vậy, và nói chung các nhà sử học tin rằng nó hầu như chỉ là một thực nghiệm ý tưởng không diễn ra trong thực tế.[84]

Trong cuốn Discorsi năm 1638 của mình nhân vật Salviati của Galileo được mọi người coi là người phát ngôn của ông, đã cho rằng mọi trọng lượng khác biệt, sẽ rơi với cùng tốc độ tuyệt đối trong chân không. Nhưng điều này trước đó đã được Lucretius đề cập tới[85] và cả Simon Stevin.[86] Salviati cũng cho rằng có thể chứng minh bằng thực nghiệm điều này bằng cách so sánh các chuyển động đu đưa trong không khí với những quả lắc chì hay bần có trọng lượng khác nhau nhưng có kích thước tương tự nhau.

Trong nhiệm vụ Apollo 15 năm 1971, phi hành gia David Scott đã chỉ ra rằng Galileo đã đúng: gia tốc là như nhau đối với mọi vật thể chịu trọng lực trên Mặt trăng, ngay cả đối với cái búa và cái lông.

Galileo đã đề xuất rằng một vật thể rơi sẽ rơi với gia tốc đồng nhất, khi sức cản của môi trường mà nó đang rơi trong đó là không đáng kể, hay trong trường hợp giới hạn sự rơi của nó xuyên qua chân không.[87] Ông cũng xuất phát từ định luật động học chính xác cho khoảng cách đã được đi qua trong một gia tốc đồng nhất bắt đầu từ sự nghỉ, có nghĩa nó tỷ lệ với bình phương của thời gian ( d ∝ t 2 ).[88] Tuy nhiên, cả hai trường hợp những khám phá đó mới hoàn toàn ở mức sơ khởi. Định luật bình phương thời gian cho sự thay đổi gia tốc đồng nhất đã được Nicole Oresme biết tới từ thế kỷ XIV,[89] và Domingo de Soto, ở thế kỷ XVI, cho rằng các vật thể rơi qua một môi trường đồng nhất sẽ có gia tốc đồng nhất[90] Galileo đã thể hiện định luật bình phương thời gian bằng các giải thích hình học và các từ toán học chính xác, so với các tiêu chuẩn của thời ấy. (Những người khác thể hiện lại định luật theo các thuật ngữ đại số). Ông cũng kết luận rằng các vật thể duy trì chuyển động của chúng trừ khi một lực — thường là ma sát — tác động vào chúng, bác bỏ lý thuyết nói chung được chấp nhận của Aristoteles rằng các vật thể "tất nhiên" giảm tốc độ và dừng lại trừ khi một lực tác động vào chúng (các ý tưởng triết học liên quan tới quán tính đã được Ibn al-Haytham và Jean Buridan đề xuất từ nhiều thế kỷ trước, và Joseph Needham, Mặc Tử đã đề xuất nó từ nhiều thế kỷ trước nữa, nhưng đây là lần đầu tiên nó được trình bày ở dạng toán học, được kiểm chứng trong thực tế, và đưa ra ý tưởng lực ma sát, sự đột phá quan trọng trong đánh giá quán tính). Nguyên tắc quán tính của Galileo nói: "Một vật thể chuyển động trên một bề mặt phẳng sẽ tiếp tục duy trì hướng và tốc độ trừ khi bị tác động." Nguyên tắc này đã được tích hợp vào trong Các định luật về chuyển động của Newton (định luật thứ nhất).

Vòm thánh đường Pisa với cây "đèn của Galileo"

Galileo cũng tuyên bố (không chính xác) rằng một sự đu đưa của con lắc luôn mất cùng khoảng thời gian, độc lập với biên độ. Có nghĩa, một con lắc đơn giản là đẳng thời. Nói chung mọi người tin rằng ông đi đến kết luận này khi quan sát sự đua đưa của ngọn đèn chùm trong thánh đường Pisa, đo thời gian của nó theo mạch của mình. Tuy nhiên dường như ông không tiến hành thực nghiệm bởi tuyên bố là đúng chỉ với những sự đu đưa rất nhỏ như Christian Huygens đã khám phá ra. Con trai của Galileo, Vincenzo, đã phác thảo một chiếc đồng hồ dựa trên các lý thuyết của cha mình năm 1642. Chiếc đồng hồ này không bao giờ được chế tạo bởi những sự đu đưa lớn bởi cái hồi nghiêng của nó, sẽ là một chiếc đồng hồ tồi. (Xem Kỹ thuật bên trên.)

Năm 1638 Galileo đã miêu tả một phương pháp thực nghiệm để đo vận tốc ánh sáng bằng cách bố trí hai người quan sát, mỗi người cầm một đèn lồng có cửa che, quan sát đèn của nhau ở một khoảng cách. Người quan sát đầu tiên mở cửa sập ở cây đèn của mình, và người thứ hai, ngay khi thấy ánh sáng, lập tức mở cửa sập ở cây đèn của mình. Thời gian giữa lúc người quan sát đầu tiên mở cửa sập và quan sát thấy ánh sáng từ cây đèn của người quan sát thứ hai cho thấy khoảng thời gian ánh sáng cần để đi tiến lùi giữa hai người quan sát. Galileo đã thông báo rằng khi ông thử nó ở một khoảng cách chưa tới một dặm, ông không thể xác định liệu ánh sáng có xuất hiện đồng thời hay không.[91] Trong một khoảng thời gian giữa khi Galileo qua đời và năm 1667, các thành viên của Accademia del Cimento Firenze đã lặp lại thực nghiệm ở khoảng cách khoảng một dặm và có được kết quả tương tự.[92]

Galileo được cho là một trong những người đầu tiên hiểu được tần số âm thanh. Bằng cách cào một cái đục ở những tốc độ khác nhau, ông kết nối độ cao thấp của âm thanh tạo ra do chiếc đục, một cách đo tần số.

Trong cuốn Đối thoại năm 1632 của mình Galileo đã trình bày một lý thuyết vật lý về thuỷ triều, dựa trên chuyển động của Trái Đất. Nếu chính xác, nó sẽ là một lý lẽ mạnh cho sự chuyển động thực tế của Trái Đất. Trên thực tế, cái tên ban đầu của cuốn sách miêu tả nó như một cuộc đối thoại về thuỷ triều; đoạn nói về thuỷ triều đã bị loại bỏ theo lệnh của Toà án dị giáo. Lý thuyết của ông là cái nhìn đầu tiên vào tầm quan trọng của các hình dạng vịnh biển ảnh hưởng trên kích cỡ và thời gian thuỷ triều; ví dụ, ông đã tính toán chính xác các đợt thuỷ triều nhỏ ở giữa dọc theo Biển Adriatic so với các đợt thuỷ triều ở hai đầu cuối. Tuy nhiên, nếu là một sự tính toán tổng thể về nguyên nhân thuỷ triều, lý thuyết của ông là sai lầm. Kepler và những người khác đã chính xác khi liên kết Mặt Trăng với những ảnh hưởng trên thuỷ triều, dựa trên dữ liệu kinh nghiệm, tuy nhiên một lý thuyết vật lý thực sự về thuỷ triều chỉ xuất hiện với Newton.

Galileo cũng đưa ra nguyên tắc căn bản của tương đối, rằng các định luật của vật lý là như nhau trong bất kỳ hệ thống nào đang chuyển động ở một tốc độ không đổi theo một đường thẳng, không cần biết tới tốc độ và hướng. Vì thế, không có chuyển động tuyệt đối hay sự nghỉ tuyệt đối. Nguyên tắc này cung cấp nền tảng căn bản cho các định luật về chuyển động của Newton và là trung tâm của thuyết tương đối của Einstein.