ภาพวาด กาลิเลโอกับวีวีอานี โดย ติโต เลสสิ ตั้งแสดงที่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ เมืองฟลอเรนซ์แผ่นป้ายติดตั้งที่หอเอนปิซา เป็นการระลึกถึงการทดลองของกาลิเลโอ ที่เชื่อว่าเคยทดสอบการทิ้งตุ้มน้ำหนักขนาดแตกต่างกันลงจากหอคอยปิซาและตรวจจับความเร็วได้เท่ากัน (แม้ว่าอาจเป็นเพียงเรื่องเล่าจากบันทึกของเลขานุการของเขาเท่านั้น) [42]โดมในวิหารแห่งปิซา กับ "โคมไฟของกาลิเลโอ"

การทดลองและทฤษฎีต่าง ๆ ของกาลิเลโอเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ รวมกับผลงานศึกษาของเคปเลอร์และเรอเน เดส์การตส์ ถือเป็นกำเนิดที่มาของวิชากลศาสตร์ดั้งเดิมที่พัฒนาขึ้นโดย เซอร์ ไอแซค นิวตัน

จากบันทึกประวัติกาลิเลโอที่เขียนโดยศิษย์ผู้หนึ่งของเขา คือ วินเชนโซ วีวีอานี ได้ระบุถึงการทดลองของกาลิเลโอในการปล่อยลูกบอลที่สร้างจากวัสดุเดียวกัน แต่มีมวลแตกต่างกัน ลงมาจากหอเอนปิซา เพื่อทดสอบดูระยะเวลาที่ใช้ในการตกลงมาว่ามีความเกี่ยวข้องกับมวลของพวกมันหรือไม่6 ผลจากการทดลองนี้ขัดแย้งกับความเชื่อที่อริสโตเติลเคยสั่งสอนมา ที่ว่าวัตถุซึ่งหนักกว่าจะตกลงมาเร็วกว่าวัตถุเบา โดยมีสัดส่วนแปรผันตรงกับน้ำหนัก[43] เรื่องราวการทดลองนี้เป็นที่เล่าขานกันอย่างมาก แต่ไม่มีบันทึกใดที่ยืนยันว่ากาลิเลโอได้ทำการทดลองนี้จริง ๆ นักประวัติศาสตร์ลงความเห็นว่ามันเป็นเพียงการทดลองในความคิด แต่ไม่ได้ทำจริง ๆ[44]

ในงานเขียนชุด Discorsi ของกาลิเลโอในปี ค.ศ. 1638 ตัวละครหนึ่งในเรื่องชื่อ ซัลเวียติ (Salviati) เป็นที่รู้จักทั่วไปว่าหมายถึงเลขาส่วนตัวคนหนึ่งของเขา ได้ประกาศว่าวัตถุใด ๆ ที่มีน้ำหนักไม่เท่ากัน ย่อมตกลงมาด้วยความเร็วเดียวกันในสภาวะสุญญากาศ แต่ข้อความนี้เคยมีการประกาศมาก่อนหน้านี้แล้วโดย ลูครีเชียส[45] และไซมอน สเตวิน[46] ซัลเวียติยังอ้างอีกว่า สามารถแสดงการทดลองนี้ได้โดยเปรียบเทียบกับการแกว่งของตุ้มนาฬิกาในอากาศโดยใช้ก้อนตะกั่วเทียบกับจุกไม้ก๊อกซึ่งมีน้ำหนักแตกต่างกัน แต่จะได้ผลการเคลื่อนที่เหมือน ๆ กัน

กาลิเลโอเสนอว่า วัตถุจะตกลงมาด้วยความเร่งที่สม่ำเสมอ ตราบที่ยังสามารถละเลยแรงต้านของตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านได้ หรือในกรณีอันจำกัดเช่นการตกลงมาผ่านสุญญากาศ[8][47] เขายังสามารถสางกฎของจลนศาสตร์ที่ถูกต้องสำหรับการเคลื่อนที่ในระยะทางที่มีความเร่งสม่ำเสมอกัน โดยกล่าวว่า ระยะทางจะแปรผันตามกำลังสองของเวลาที่ใช้ไป ( d ∝ t 2 ) [48] ทว่าทั้งสองกรณีที่กล่าวมานี้ก็ยังมิใช่งานที่ถือเป็นต้นฉบับของกาลิเลโอเองอย่างแท้จริง กฎของกำลังสองของเวลาภายใต้สภาวะความเร่งคงที่นั้นเคยเป็นที่รู้จักก่อนแล้วโดยผลงานของนิโคล โอเรสเม ในคริสต์ศตวรรษที่ 14[49] กับโดมิงโก เดอ โซโท ในคริสต์ศตวรรษที่ 16 ซึ่งกล่าวว่าวัตถุตกผ่านตัวกลางเนื้อเดียวกันจะมีความเร่งที่สม่ำเสมอ[8]7 แต่กาลิเลโอได้พรรณนากฎกำลังสองของเวลาโดยใช้โครงสร้างเรขาคณิตและคณิตศาสตร์พื้นฐาน ซึ่งเป็นกฎมาตรฐานดังที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ (ยังมีคนอื่น ๆ อีกที่พรรณนากฎนี้ในรูปแบบของพีชคณิต) เขายังสรุปด้วยว่าวัตถุจะดำรงความเร็วของตัวมันไว้ จนกว่าจะมีแรงอื่น -เช่นแรงเสียดทาน- มากระทำต่อมัน ซึ่งเป็นการลบล้างสมมุติฐานของอริสโตเติลที่ว่า วัตถุจะค่อยช้าลงและหยุดไปเอง "ตามธรรมชาติ" นอกเสียจากจะมีแรงมากระทำต่อมัน (อันที่จริงมีแนวคิดเชิงปรัชญาเกี่ยวกับเรื่องของ แรงเฉื่อย เสนอโดย อิบุน อัล-ฮัยษามเมื่อหลายศตวรรษก่อนหน้านี้แล้ว รวมถึง ฌอง บูริแดน, โจเซฟ นีดแฮม, และ ม่อจื่อ (Mo Tzu) ก็เคยเสนอไว้หลายศตวรรษก่อนหน้าพวกเขา แต่นี่เป็นครั้งแรกที่มีการอธิบายในเชิงคณิตศาสตร์ ตรวจสอบซ้ำด้วยการทดลอง และนำเสนอเป็นแนวคิดเรื่องแรงเสียดทาน ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญในการอธิบายถึงแรงเฉื่อย) หลักการพื้นฐานของกาลิเลโอว่าด้วยแรงเฉื่อย กล่าวว่า : "วัตถุที่เคลื่อนที่บนพื้นราบจะดำรงการเคลื่อนที่ต่อไปในทิศทางเดิม ด้วยความเร็วคงที่ จนกว่าจะถูกรบกวน" หลักการพื้นฐานนี้ได้รวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งในกฎข้อที่หนึ่งของกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กาลิเลโอได้กล่าวอ้าง (อย่างไม่ถูกต้อง) ว่าการแกว่งตัวของลูกตุ้มนาฬิกานั้นจะใช้เวลาเท่ากันเสมอโดยไม่ขึ้นกับแอมพลิจูดหรือขนาดของการแกว่งเลย นั่นคือการแกว่งตัวแบบที่เรียกว่า isochronous เรื่องนี้กลายเป็นความเชื่อโดยทั่วไปว่าเขาได้ข้อสรุปมาจากการนั่งเฝ้ามองการแกว่งตัวของโคมไฟขนาดใหญ่ในวิหารแห่งเมืองปิซาโดยใช้จังหวะการเต้นของหัวใจตนเองในการจับเวลา อย่างไรก็ตามดูเหมือนว่าเขาจะไม่ได้ทำการทดลองใด ๆ เพราะการกล่าวอ้างนี้จะเป็นจริงก็เฉพาะในการแกว่งตัวขนาดเล็กมาก ๆ ซึ่งค้นพบโดย คริสตียาน เฮยเคินส์ บุตรชายของกาลิเลโอคือ วินเชนโซ ได้วาดภาพนาฬิกาโดยอ้างอิงจากทฤษฎีของบิดาเมื่อปี ค.ศ. 1642 แต่นาฬิกานั้นไม่เคยมีการสร้างขึ้น เพราะยิ่งการแกว่งตัวมีขนาดใหญ่ขึ้น ก็มีแนวโน้มที่ลูกตุ้มจะเหวี่ยงพ้นออกไปมากยิ่งขึ้น ทำให้กลายเป็นนาฬิกาจับเวลาที่แย่มาก (ดูเพิ่มในหัวข้อ เทคโนโลยี ข้างต้น)

ปี ค.ศ. 1638 กาลิเลโอได้บรรยายถึงวิธีทดลองแบบหนึ่งในการตรวจวัดความเร็วของแสงโดยใช้ผู้สังเกตการณ์สองคน แต่ละคนถือตะเกียงที่มีใบบังแสง และสังเกตแสงจากตะเกียงของอีกคนหนึ่งจากระยะไกล ๆ ผู้สังเกตการณ์คนแรกเปิดใบบังแสงของตะเกียงของตน คนที่สองสังเกตเห็นแสงจากคนแรก ก็ให้เปิดใบบังแสงของตะเกียงของตนตาม ระยะเวลาระหว่างช่วงที่ผู้สังเกตคนแรกเปิดใบบังแสงจนกระทั่งถึงตอนที่เขามองเห็นแสงจากตะเกียงของอีกคนหนึ่ง จะบ่งชี้ถึงเวลาที่แสงเดินทางไปและกลับระหว่างผู้สังเกตการณ์ทั้งสอง กาลิเลโอรายงานว่า เขาได้พยายามทำการทดลองในระยะห่างน้อยกว่าหนึ่งไมล์ แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าแสงปรากฏขึ้นในพริบตาเดียวหรืออย่างไร[50] หลังจากกาลิเลโอเสียชีวิตไปจนถึงราว ค.ศ. 1667 มีสมาชิกของ Florentine Accademia del Cimento รายงานผลจากการทดลองนี้ในระยะห่างของผู้สังเกตราว 1 ไมล์ และไม่สามารถบอกถึงผลสรุปได้เช่นเดียวกัน[51]

กาลิเลโอยังถือว่าเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรก ๆ ที่ทำความเข้าใจกับความถี่เสียง แม้จะไม่เป็นที่รู้จักกันมากนัก เขาตอกสิ่วเป็นจังหวะที่ความเร็วต่าง ๆ กัน แล้วเชื่อมโยงระดับเสียงเพื่อสร้างเป็นแผนภาพจังหวะเสียงสิ่ว เป็นการวัดระดับความถี่

ในงานเขียนชุด Dialogue (บทสนทนา) ในปี ค.ศ. 1632 กาลิเลโอได้นำเสนอแนวคิดทฤษฎีทางฟิสิกส์สำหรับการตรวจวัดระดับน้ำขึ้นน้ำลง โดยอิงจากการเคลื่อนที่ของโลก หากทฤษฎีของเขาถูกต้อง ก็จะกลายเป็นหลักฐานสำคัญในการยืนยันถึงการเคลื่อนที่ของโลก เดิมชื่อหนังสือชุดนี้ใช้ชื่อว่า Dialogue on the tides (บทสนทนาว่าด้วยปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง) แต่ถูกตัดส่วนที่เกี่ยวกับน้ำขึ้นน้ำลงทิ้งไปเพราะการถูกกล่าวหาโดยทางศาสนจักร ทฤษฎีของเขาได้ให้แนวคิดแรกเริ่มเกี่ยวกับความสำคัญของขนาดของมหาสมุทรและระยะเวลาของการเกิดน้ำขึ้นน้ำลง เขาคิดถูกครึ่งหนึ่งที่ละเว้นการคำนึงถึงระดับน้ำขึ้นน้ำลงในทะเลอะเดรียติกเมื่อเปรียบเทียบกับมหาสมุทรทั้งหมด แต่ว่าโดยรวมแล้วทฤษฎีของเขายังผิดอยู่ ในเวลาต่อมา เคปเลอร์ และนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ได้เชื่อมโยงความสัมพันธ์ของน้ำขึ้นน้ำลงกับดวงจันทร์ โดยอาศัยข้อมูลจากการสังเกต แต่กว่าที่ทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่ถูกต้องเกี่ยวกับการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงจะได้รับการพัฒนาขึ้นก็ล่วงไปจนถึงยุคของนิวตัน

กาลิเลโอยังได้นำเสนอแนวคิดพื้นฐานเริ่มแรกเกี่ยวกับความสัมพัทธ์ เขากล่าวว่ากฎทางฟิสิกส์จะเหมือน ๆ กันภายใต้ระบบใด ๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เป็นเส้นตรง ไม่ว่าจะอยู่ที่ระดับความเร็วเท่าใดหรือไปยังทิศทางใด จากข้อความนี้จึงไม่มีการเคลื่อนที่แบบสัมบูรณ์หรือการหยุดนิ่งแบบสัมบูรณ์ หลักการพื้นฐานนี้เป็นกรอบความคิดตั้งต้นของกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน และเป็นศูนย์กลางแนวคิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์