Desafio à Inquisição
Por várias vezes, colocou-o de lado, talvez inseguro quanto à solidez do apoio papal. Porém, pressionado por seus numerosos amigos e discípulos, acabou finalizando a obra que o levaria a um novo e dramático confronto com a Inquisição: o Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Diálogo sobre os dois maiores sistemas do mundo), no qual compara os modelos de Copérnico e Ptolomeu. A obra foi concluída em 1630, mas só obteve licença para publicação em 1632. Ela se apresenta na forma de um diálogo entre três personagens: Salviati, um cientista brilhante, que encarna o próprio Galileu; Sagredo, um homem prático e inteligente, que desempenha o papel de mediador; e Simplício, um simpático porém ingênuo defensor de Aristóteles e Ptolomeu. As conversações desenvolvem-se em quatro jornadas, realizadas no palácio de Sagredo, em Veneza.

Há nelas momentos brilhantes, como a crítica à idéia da diferente composição material da Terra e do céu. Ou a refutação do argumento de que, caso a Terra se movesse, qualquer coisa que não estivesse firmemente atada a ela seria deixada para trás. Mas, apesar desses pontos altos, o Dialogo é mais uma obra de popularização do que um tratado científico.