Физика в то время сводилась к механике, проблемами которой Галилей занимался в течение всей жизни. Вместе с тем она охватывала широкий круг общих мировоззренческих, по существу — космологических проблем. До Галилея в ней в течение веков господствовали представления аристотелевской школы перипатетиков о принципиальном различии земных (точнее, подлунных) и небесных, или космических, явлений, о существовании насильственных и естественных движений. К первым относили движения под действием механической силы. При этом считалось, что они могут продолжаться лишь пока действует сила. Второй вид движений якобы определялся самой природой тела и геометрическими свойствами замкнутого пространства Вселенной. По Аристотелю, тяжелые тела в своем естественном движении должны были падать с различной скоростью в зависимости от своей тяжести. Аристотель полагал, что независимым от веса падение было бы лишь в пустоте, существование которой он как физик-экспериментатор отрицал.

Галилей совершил подлинную революцию в механике, полностью разрушив представления аристотелевой физики, сложившиеся на основе слишком грубого повседневного наблюдения, либо, напротив, чисто умозрительные. Галилей впервые построил экспериментально математическую науку о движении — кинематику, законы которой он вывел в результате обобщения данных специально поставленных научных опытов.

Сравнивая движение тел по наклонной плоскости с их свободным падением, он установил единство (в частности, независимость скорости такого падения от веса тела), установил законы колебания маятника и построил теорию равномерно ускоренного движения. Этим не исчерпывается его вклад в механику. С ее помощью он заложил основы научного метода выявления законов природы вообще. Прежде всего, он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений, утверждая, что «книга природы написана языком математики». Метод же его экспериментально-теоретического исследования заключается в количественном анализе наблюдаемых частных явлений и постепенном мысленном приближении этих явлений к некоторым идеальным условиям, в которых законы, управляющие ими, проявятся, так сказать, в чистом виде. Такой метод получил название индуктивного. Единственное, в чем Галилей остался аристотелеанцем, — было его представление об инерциальном как движении по кругу.