После возвращения во Флоренцию Галилей жил на загородной вилле Беллосгуардо, где, преодолев полученную в Риме душевную травму, вновь взялся за работу. В частности, подверг критике «промежуточную» теорию датского астронома Тихо Браге, согласно которой Земля покоится, Солнце вращается вокруг неё, а вокруг Солнца, в свою очередь, вращаются некоторые планеты. Надежду на признание церковью истинности системы Н. Коперника дало Галилею возведение в 1623 г. на папский престол с именем Урбан VIII давнего почитателя его таланта кардинала Маффео Барберини. Галилей вновь косвенно высказался в защиту Н. Коперника в «Письме к Инголи» (1624 г.). Несистематические и отрывочные формы полемики с оппонентами подвели Галилея к мысли о необходимости написать работу, в которой взгляды за и против учения Н. Коперника получили бы законченное выражение. Книга, названная по желанию папы Урбана VIII, который, тем не менее, лично с ней не ознакомился, «Dialogo... sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico e Copernicano» («Диалог... о двух главнейших системах мира – Птолемеевой и Коперниковой»), вышла во Флоренции 21 февраля 1632 г. Она вызвала новый инквизиционный процесс: Галилею инкриминировалось нарушение постановления инквизиции 1616 г. Он был вызван в Рим и до окончания расследования находился под домашним арестом в резиденции посла Тосканы. По постановлению инквизиции 22 июня 1633 г. сидящего на муле в покаянном рубище Галилея провезли через весь Рим из здания инквизиции в монастырь Санта-Мария сопра Минерва, где был оглашён приговор, и Галилей, встав перед судом на колени, зачитал покаянное письмо. После суда он пробыл полгода в домашнем заточении в Сиене, затем ему было позволено вернуться во Флоренцию с сохранением режима домашнего ареста. Слежка за Галилеем продолжалась до конца жизни. К 1637 г. у Галилео Галилея сильно ослабло зрение, постепенно он полностью ослеп. Однако необычайная сила духа и ума позволила учёному продолжить занятия. В 1638 г. в Лейдене (в протестантской Голландии) вышла его книга «Discorsi e dimonstrazioni mathematiche: intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica e i movimenti locali» («Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки: механики и законов падения»), где в систематизированном виде изложены его физические взгляды. В этой работе, которая нанесла уничтожающий удар по схоластизированной физике Аристотеля, заложены основы новой «философии природы», которая несколькими десятилетиями позже была развита в книге Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии». Скончался Галилео Галилей в окружении ближайших друзей и учеников, его тело было упокоено в церкви Санта-Кроче во Флоренции без почестей и надгробия, лишь в 1734 г. церковные власти согласились на сооружение надгробного памятника. В 1822 г. католическая церковь изъяла труды Галилео Галилея из «Индекса запрещённых книг». 10 ноября 1979 г. Римский папа Иоанн Павел II на заседании Папской академии наук признал преследования учёного несправедливыми и снял с него обвинения.