С этого момента, а именно 26 сентября 1592 г., в жизни Галилея Галилео начался новый этап. Переход в Падуанский университет, где Галилей занял кафедру математики, ознаменовал собой начало плодотворнейшего периода в его научной деятельности. Здесь он вплотную подходит к изучению законов динамики, исследует механические свойства материалов; изобретает первый из физических приборов для исследования тепловых процессов — термоскоп; совершенствует подзорную трубу и первым догадывается использовать ее для астрономических наблюдений; становится самым активным и авторитетным сторонником системы Коперника, обретя благодарность и уважение потомков и активную враждебность многочисленных современников. Однако поначалу научная работа Галилея оставалась скрытой от всех, за исключением друзей. Лекции он читал по традиционной программе, в которой излагалось учение Птолемея. Неудивительно, что преподавание в университете особой радости Галилею не доставляло.
«Отдохнуть сердцем» он часто ездил в Венецию. Там, в кругу близких друзей он находил ту духовную обстановку, в которой очень нуждался. Падуя была местом его службы, Венеция — праздником с долгими дружескими беседами, превосходной музыкой и тонкими винами. Этот город привлекал Галилео еще и тем, что в нем жила очаровательная Марина Гамба, пленившая его сердце. Через некоторое время любовное увлечение переросло в крепкую связь. У Галилео и Марины родилась дочь, через год — вторая, затем — сын. К сожалению, после долгих лет совместной жизни супруги расстались. В последующие годы Галилей жил один, изредка встречаясь со своими детьми. Повзрослев, его дочери постриглись в монахини, а сын не особенно радовал отца: учился кое-как, был упрям и думал лишь о развлечениях. Единственным по-настоящему близким и преданным Галилею человеком была старшая дочь Вирджиния, которая любила отца до самозабвения. Она всегда старалась ему помочь, сделать что-нибудь приятное, переживала, когда тот болел. С годами же давний недуг все чаще напоминал ему о себе.