1610年9月12日，伽利略终于回到了佛罗伦萨，秋高气爽，阳光明媚，把他心中的阴霾一扫而空。
他信步走在佛罗伦萨的街头，迎风招展的白杨、让人心醉的天空、雕像林立的广场、恬静幽雅的教堂、成群结队的白羊、飞跑的马车，他发现这个城市更加美丽动人。
伽利略的衣锦还乡，让他受到了前所未有的迎接。比萨大学里的学生把他当做神明一般敬仰，昔日的敌对者，似乎也都离开了学校。现任的老师们都对伽利略尊崇备至，当他讲解他的新发明的时候，宫廷官员和科学家们都会洗耳恭听。
让伽利略感到安慰的是蒙特主教送了他一幅镶有珍珠的图画和一封写得十分诚挚的信，作为对伽利略赠予的望远镜的回报。而且，罗马学院的很多教授也开始承认木星周围有四颗卫星是确凿无疑的。
爱唠叨的母亲满脸堆笑地欢迎儿子回到家乡。两个出嫁的妹妹，领着丈夫来看望哥哥，显得殷勤、有礼貌。弟弟已经结婚，领着妻子也来欢迎大哥。这一切都让已经46岁的伽利略感到心满意足。
伽利略回到家乡，一切安排就绪，心情逐渐安定后，就去了宫廷任职。
科西默大公是个极其喜欢新思想的人，所以他的宫廷里有不少在当时许多领域有影响、有贡献的科学家。伽利略的几何启蒙老师里奇就是科西默大公的宫廷数学家之一。能当上宫廷科学家在当时也是许多科学家梦寐以求的事情。所以，自从里奇去世之后，伽利略就一直想做宫廷里的数学家。
在做宫廷数学家和哲学家的同时，伽利略没忘记，也没有放弃对天象的观测，并且又开始对星空进行更深入、更仔细的观测。
伽利略的学生卡斯特利写信给他，建议伽利略抓紧时间观察金星，因为如果哥白尼的主张是正确的，那么金星就应该是绕日而行，那么，金星就一定会有盈亏。于是，伽利略开始研究金星。
金星是太阳系的行星之一，按离太阳远近的次序计为第二颗，是大行星中离地球最近的一颗。我国古代把金星叫做太白星，早晨出现在东方时叫启明星，晚上出现在西方时叫长庚星。
伽利略过去用望远镜观测过金星，给他留下的印象，金星是一颗很亮的星。
一天晚上，伽利略先看了一会儿金星，金星依旧是亮亮的，分外的耀目。然后他顺便把镜头移向土星。发现土星的外貌很奇特，星球的东、西两边各有两个斑点，好像是两个卫星。这一发现使伽利略很兴奋，以为在发现木星有四颗卫星之后，又发现了土星有两颗卫星。
可是过了两天，继续观测，发现土星的两个斑点消失了。令他很失望，于是不得不把镜头又对准金星。这时，伽利略发现金星缺了一个边，就像不圆的月亮。
一连两个星期的观察，伽利略得到了结果，他发现金星的盈亏规律。金星不但和月亮一样，在形状上可以由满月而变为娥眉月，而且光亮也会时而有增长和消退之分，它的外圆半径也会大小相异。
这一观测充分说明，金星不是绕地球运转而是绕太阳运转，从而彻底打破了亚里士多德和托勒密的以地球为中心的天体理论，证实了哥白尼的日心说是绝对正确的。
亚里士多德学派的人曾经说：“如果各行星真是绕着太阳旋转。那么它们就该像月亮一样有盈有亏，而现在没有，所以哥白尼的学说是无稽之谈。”
伽利略的发现，无疑又是一个重大的发现。当时的人们普遍认为地球是静止的，处于宇宙的中心，太阳、月亮和其他的行星都是绕着地球在旋转的。这就是人人皆知的“地心说”，即以地球为宇宙中心的学说。现在看来，这种理论虽然是错误的，但是在当时却被奉为真理。
地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。
最初由古希腊学者欧多克斯提出，经亚里士多德完善，又为托勒密进一步发展。在16世纪日心说创立之前的一千多年中，地心说一直占统治地位。
亚里士多德的地心说认为，宇宙是一个有限的球体，分为天地两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行，物体总是落向地面。
托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转。其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些。行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地球运行。在太阳、月球行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球恒星天。再外面，是推动天体运动的原动力。
地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当做宇宙中心是错误的，然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“球形”的，并把行星从恒星中区别出来，着眼于探索和揭示行星的运动规律，这标志着人类对宇宙认识的一大进步。
地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行，托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念，设计出了一个本轮均轮模型。按照这个模型，人们能够对行星的运动进行定量计算，推测行星所在的位置，这是一个了不起的创造。
在一定时期里，依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象，因而在生产实践中也起过一定的作用。
地心说中的本轮均轮模型，毕竟是托勒密根据有限的观察资料拼凑出来的，他是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使这个模型和实测结果取得一致。
但是，到了中世纪后期，随着观察仪器的不断改进，行星位置和运动的测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差，就逐渐显露出来了。
信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的，却用增加本轮的办法来补救地心说。
到了16世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上，终于创立了日心说。从此，地心说便逐渐被淘汰。
伽利略认为，这一发现事关重大，必须尽快向大天文学家开普勒通告，以便申明他是金星盈亏的首次发现者。
为了谨慎起见，伽利略用一种类似于密码的文字，向远在布拉格的开普勒写信道：“爱神的母亲模仿戴安娜的面容。”
这句话，看似很难懂，后来人们才破解了当时的谜底。爱神的母亲即指金星，戴安娜即指月亮，模仿面容就是改变形状。意思是金星像月亮一样可以改变面貌，有时是圆的，有时呈娥眉形。
开普勒对伽利略的发现给予肯定，并回信表示祝贺。还鼓励他继续观测，争取获得更多的成果。
伽利略在对几个行星进行了观测之后，又把镜头对准了太阳，对太阳表面的黑点进行了认真仔细的观察。
太阳上面有黑点，伽利略曾经用肉眼看到过。这个黑点是什么东西？这在伽利略心中始终是个谜。
通过用望远镜对太阳上黑点的长期观察，黑点是由太阳表面上的某种现象引起的，应当称其为黑子。黑子的形状很少变化，但它在太阳的表面慢慢移动。看到黑子在运动，伽利略推断，太阳是绕自身的轴线在不停地运动。
伽利略认为黑子是太阳表面的某种现象引起的，由黑子的运动，就可以推断出太阳是绕自身的轴线在运动的。这一点对于亚里士多德学派的人来说更是不可容忍的，他们坚持认为太阳是完美无缺的。
太阳神阿波罗象征着光明，阿波罗是音乐与诗歌之神、是医药之神、是航海保护之神、是银弓之神等。总之，人类将所有美好的光环都加在这位太阳神的身上，它的光辉普照着大地。而如今，伽利略却说它的上面有黑子，还说太阳也和其他行星一样自转。这让他们感觉到荒唐至极。
在佛罗伦萨期间，伽利略更加努力地从事科学研究工作，虽然研究实验工作是一件十分艰苦和劳心费神的事情，他的身体状况也明显地不如从前了，但他的心情却是十分愉悦。
对于一位科学家来说，能让他进行自己心爱的研究实验，能让他将自己的才能更好地发挥出来，这比让他天天吃得好、穿得好，舒舒服服享清福要强得多。
伽利略像个年轻人一样，不分昼夜地工作着。1613年，他发表了《论太阳黑子的信札》。
在这封信中，伽利略以严谨的论证、犀利的笔锋，明确指出太阳和地球都在旋转，地球不但绕着太阳旋转，而且还在绕着自己的轴线自转，从而论证了哥白尼“日心说”的正确性和托勒密“地心说”的错误。
由于这些内容具有鲜明的哥白尼特点，所论证的结论直接威胁到宗教神学的基础，这就给了一直对伽利略心怀妒忌、伺机报复的亚里士多德学派的卫道士们一个进行攻击的口实。
如果说过去伽利略的发明和实验只是对宗教神学有所冒犯的话，那还都是一些不甚明了的事情，比萨斜塔的实验只不过是证明了亚里士多德的一个结论的错误，打破了人们对亚里士多德的迷信；望远镜的发明也不过是向人们提供了一个进行天文观测的工具，从客观上为哥白尼日心说的正确性提供了论证。这一切都是在科学实验发明的基础上产生的副产品，只是在客观上对宗教神学构成了威胁，还没鲜明地站出来向宗教神学挑战。
那时向伽利略发难的只是些死死抱着亚里士多德信条不放的大学教授和学者们，他们所能进行的也只是诸如施妖术、行巫法、异教徒等人身攻击和谩骂。
但是，这次大不相同，教会人士亲自出马，他们对伽利略毫不掩饰自己观点的做法十分愤怒，向教会控告伽利略宣传异端邪说，玷污了天主。“祸兮福所倚，福兮祸所伏。”科学研究成就与声望日盛的伽利略从此开始了他多灾多难的与宗教神学顽强斗争的征程。
这年冬季，伽利略接到了罗马教会一位天文学家神甫寄来的信件，邀请他访问罗马教廷。于是，伽利略准备动身前往罗马，将他获得的最新天文学成果展示给教廷和天文学同行。
