伽利略研究制造出新的望远镜后，第一次把它对准夜晚的天空时，他看到了一个神奇的星空世界。茫茫无垠的、黑沉沉的天穹上嵌满无数的星星，有一些是人们用肉眼能看得见的，有些则是人们用肉眼根本无法看见的。在七姐妹星团（昴星团）的附近，伽利略又发现了40多颗小星星。在明亮的猎户星座里，猎人腰带上的三星，剑上的六星是人们所熟悉的。在这九颗星附近，伽利略发现还有80余颗人们没有看见的小星。伽利略一边观察，一边仔细描绘这些星星的相对位置。他深信，这是他一生中最有意义的发现。
1609年末的一天黄昏，伽利略又用他的望远镜观察月亮。以往人们都认为月亮是一个光滑的球体，表面像镜面一样光滑明亮。自然哲学家说过，完美的天体应呈现完美的球形。伽利略也曾相信过，并且对他的学生说过，月亮是一个像圆规绘出的正圆一样的光滑的球体。然而，当他从望远镜里观察月亮时，竟使他大吃一惊！他看到的月球表面完全不是他原来想象的那样，而是高低不平，既有陡起的山脉，也有低洼的平原，还有许多环形山。这太出乎意料了！这一切和地面的结构多么相似！伽利略又惊又喜。他想，由此看来，“天上”和“人间”原来是同样的世界。绝非亚里士多德所说的那样“天地有别”。
伽利略根据观察到的月球表面山脉的阴影的变化，估算出有的山峰高达6000米，并把月球上的两条最大的山脉分别命名为“阿尔卑斯”山脉和“亚平宁”山脉（以他祖国意大利境内的两个主要山脉名称来命名）。
伽利略还看到月球表面有些面积较大、颜色较深的地方并没有阴影的变化，这现象犹如人们从高山上眺望海洋一样。他猜测这些区域可能是月球上的海。当然，人类登月科学考察证明，伽利略的这个推测是不对的，事实上这些区域并不是海，而是月面上的大平原。
伽利略又细致地观察了月面上的明暗斑纹，发现这些斑纹的亮度是随着月亮的升高而变化着。这使他联想起地面上的相似的现象，当太阳在早上升起的时候，山顶比山坡先受到日光照射，但背着太阳的一面和它下边的山谷却处在阴影之中。当太阳逐渐升高的时候，这些阴影也逐渐移动。而午后太阳西沉，照着山的另一面，山谷又落到阴影里去。这不正好说明月球也和地球一样，接收太阳光并且又把它反射给地球吗？那么，月球应是一个不发光的天体。也就是说人们以往相信月亮是一个发出清辉的球体的说法是错的。
伽利略又把他观察到的月球的情景及他对这些现象的分析计算结果绘制在图纸上，这就是人类历史上第一幅月面图。在月面图上，伽利略形象地表示出月面的结构和月面形态，并以其卓越才能，根据他每晚所观察到的月面山脉阴影的变化，创造性地测量出它们的高度，并表示在月面图上。
第一幅月面图的问世，是天文学史上一个重要事件，它标志着人类对月球的认识从此进入了一个新阶段。也标志着人类真正认识月球的开始，是人类研究月球的最有价值的资料。
