Честь впервые наблюдать Луну из телескопа выпала английскому астроному Томасу Хэрриоту (1560-1621). В 1609 году он провел множество наблюдений, по результатам которых сделал рисунки, как и Галилей несколько месяцев спустя. Из- за растущей среди астрономов конкуренции ученому для сохранения первенства в открытиях приходилось прибегать к особой стратегии.
Галилей изучал Луну систематически, во всех ее фазах. Больше всего его занимало то, что лунная поверхность с горами и долинами похожа на земную, а не на гладкий шар, как считали перипатетики. Это означало, что, по всей вероятности, она состоит из вещества, похожего на земное (но в любом случае не из неразрушимой субстанции).
В подробных рисунках Луны, сделанных Галилеем, на некоторых теневых областях заметны блестящие точки. Галилей считал, что это горные вершины, на которые падают солнечные лучи. Он даже попытался установить высоту этих гор (сейчас мы знаем, что горы на Луне примерно такой же высоты, как и на Земле). Существование гор подтверждается и неровностью линии терминатора (светораздела, разграничивающего освещенную и темную части Луны).
Иоганн Кеплер всегда старался идти вслед за Галилеем, а тот, в свою очередь, по мере возможности сообщал ему о своих открытиях, правда соблюдая осторожность, поскольку считал Кеплера своим прямым конкурентом.
Немецкий астроном, опираясь на те немногие данные, которые были в его распоряжении, создал множество теорий о Луне. Например, округлые формы на ее поверхности могли означать, что планета состояла из пористого материала. Возможно, поэтому она была легче и, соответственно, Земля могла увлекать ее за собой. Кеплер считал вполне вероятным, что на Луне существует жизнь. Он даже предположил, что некоторые формы, видимые на ней, были делом рук разумных существ, а именно конструкциями, созданными для защиты от Солнца: «Поскольку их день длится 15 наших земных суток, то днем они страдают от невыносимой жары [...] и строят на свой особый лад: выкапывают обширные котлованы, а вынутый грунт насыпают в виде кольцеобразных валов и разбрасывают [...] Они могут построить даже своего рода подземный город: вырыть в круглом цоколе множество нор, а возделанные поля и пастбища расположить в центре...»
Еще один вопрос, которым задавался Галилей, был связан со вторичным светом. Одна часть растущей Луны светится, поскольку на нее падают прямые солнечные лучи, а остальная часть излучает слабое сияние, благодаря которому виден ее контур. Ученый отбросил гипотезы о том, что этот свет идет от самой Луны или от звезд, и впоследствии отстаивал более убедительную теорию, согласно которой это отраженный свет Земли. То же происходит и в обратном направлении: блеск полной Луны заставляет Землю ночью сиять.
Когда Галилей обратил внимание на звезды, первой неожиданностью стало то, что в телескопе они казались еще меньше. Сегодня нам хорошо известно, что слой атмосферы визуально увеличивает размер звезд, а при наблюдении в телескоп это явление исчезает.
И хотя, в отличие от планет, звезды в телескоп нельзя рассмотреть подробнее, а напротив, прибор уменьшает их размер, зато он увеличивает их количество. В созвездии Ориона Галилей обнаружил сотни звезд, невидимых невооруженным глазом. То, что Птолемею казалось туманностями, открылось Галилею как совокупность многих тысяч звезд.
Было бы логично предположить, что количество звезд, видных в телескоп, и масштабы Вселенной привели Галилея к тем же выводам, что и Бруно. Располагались ли звезды на одном и том же расстоянии? Или были разбросаны по бескрайнему небосводу? Одним из доводов астрономов против гипотезы о движении Земли было то, что звезды никогда не меняют своего положения относительно созерцающего их, то есть не наблюдается параллакс. Этот аргумент был основным, но его можно было бы отклонить, доказав, что звезды удалены на достаточное расстояние, чтобы этот эффект не проявлялся. И тем не менее, возможно, из-за трагического оборота, который приняли исследования Бруно, или по какой-то еще причине Галилей был очень осторожен с заявлениями о бесконечности Вселенной.