回到佛罗伦萨，沉寂已久的伽利略，又焕发出新的创造激情。他开始着手撰写那部思虑已久的著作。为了不违背他在1616年所受到的警告，顺利通过教会检察机关的审查，伽利略决定不采用枯燥的论文体，而采用对话的形式来写。他把书名定为《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。因为这种形式。便于把他汇集的关于哥白尼学说的所有证据和理由充分表达出来。既是“对话”，争论双方就可以各抒己见，畅所欲言，想说什么就说什么。显然，作者可借书中人物之口，讲出自己想说而不敢说的话，表述自己想证明而又不敢证明的科学真理。
在《对话》中，伽利略用深邃而独到的构思，犀利而生动的语言，精心塑造了萨格尔多、萨维阿提、散普利索三个人物形象。萨格尔多才思敏捷，是伽利略的化身与代言人。他表面上充当仲裁人角色，实际上完全赞同哥白尼的主张，在“对话”中起到推波助澜作用。萨维阿提才华过人，能言善辩，是哥白尼学说的坚定拥护者。在“对话”中摆出了大量的确凿证据，证明了哥白尼学说是颠扑不破的真理。散普利索受过教育，但有几分傻气，是地心说的信奉者。他在“对话”中充当托勒密体系的辩护士角色。在这个人身上，伽利略淋漓尽致地刻画了17世纪初经院哲学家们的陈腐观点和性格特征。从书中似乎看不出伽利略站在哪一边，但随着对话与情节的展开，明眼人可以清楚地看出伽利略的鲜明立场。
伽利略在这部著作里，总结了他在自然科学方面一系列新的发现，精辟地论证了哥白尼的“日心说”。为了应付当时的恶劣环境，并能让读者明白，伽利略在文字上表现了非凡的技巧，凡是读过此书的无不为之赞叹。书中人物活灵活现，呼之欲出，具有极强的感染力。
为了慎重起见，伽利略在书中以《致明智的读者》为题，写了一篇耐人寻味的序言。一开头，伽利略便以一种维护罗马教会的口吻写道：“几年前，为了排除当代的危险倾向，罗马（教会）颁布了一道有益世道人心的敕令，及时禁止了人们谈论毕达哥拉斯学派的地动说。有些人公然无耻地声称这道敕令之颁布并未经过对问题的公平考察，而是出于知识不够而引起的激情。还可以听到一些人埋怨说对天文观察完全外行的法官们不应当以草率的禁令来束缚理性的思维。”伽利略在这里以指责的口气道出的正是他久藏心底的话。他接着写道：“听到这类吹毛求疵的傲慢言论时，我的热情再也抑制不住了。由于我充分了解这一慎重的决定，我决心作为这一庄严的真理的见证人而公正地出现在世界舞台上。”他又在序言中说：……我在讨论中站在哥白尼体系一边，把它作为纯数学假说来叙述，并用一切方法说明它，使它看起来比假定地球静止的学说好——诚然，并非绝对如此，而是相对于自称为逍遥学派的人的论据而言。这些人甚至连个称号都不配。因为他们并不漫步逍遥，他们满足崇拜死人；他们不是以应有的慎重态度来进行哲学研究，而仅仅是用他们所背诵的几条理解得很差的原则来谈论哲学。”伽利略在这里机智地表明了他对那些无知小人的鄙薄之情和他本人的鲜明立场。
《对话》一书正文由书中设置的三个人物对两个宇宙体系的四天“对话”组成。
第一天，通过三人对话，批判宗教神学的天体观，尤其是他们历来认为的天体与地球根本不同的谬论。同时论证地球是与其他行星一样的一个运动的天体。
在文中代表哥白尼学说的萨维阿提指出，地球同日月行星一样，也是一个运动的天体。驳斥了“天体不生，不灭，不变”和“天地间有根本区别”的谬论。他列举了当时观测到的某些特殊天体和天象，如彗星的出现和陨灭，1572年和1604年两次观测到的超新星爆发，太阳黑子的出现、移动与消失等。论证有理有据。
第二天，通过三人对话，批判托勒密的地心说中的地球静止不动的谬论，论证地球的周日运动——自转。在对话中伽利略充分利用了他在力学领域的研究成果，对地球和其他天体的运动进行初步的力学论证，以他所发现的惯性定律、自由落体定律及抛物运动的力学分析，说明地球和其他天体的运动，并不像亚里士多德的力学理论所说的那样，需要有一个持久的推动力来维持，而是有其自身的力学原因。这样，伽利略就以地面上的运动力学规律，初步论述了天体运动的力学原因。
第三天，通过三人的对话，批判托勒密体系的地球中心论，同时论证太阳系的中心是太阳，而不是地球；并进而论证地球与其他行星一样的绕日公转运动，即地球的周年运动。
在论证过程中，伽利略以大量的天文观测资料为依据，深刻揭露了托勒密体系中谬误百出的矛盾，令人信服地证明，哥白尼的日心体系具有无比的优越性。
第四天，通过三人对话，讨论潮汐问题。在此伽利略误将潮汐现象当成了地球运动的证据，他以为潮水的涨落是地球的公转和自转产生颠簸造成的。他想象海水来回冲击，就像盛在盒子中的水那样晃来晃去，这就是潮汐。他否定月球和太阳能引起潮汐。
伽利略的潮汐理论后来被证明是不正确的，直到牛顿发现万有引力定律后，潮汐现象才获得科学解释。
《对话》的写作形式和论证方式十分策略。在对托勒密地心体系和哥白尼的日心体系加以评述时，都由书中人物出场，作者本人并不加以直接的评述和论证。尽管如此，《对话》的批判矛头还是十分明显地指向托勒密的地心体系。读者可以从妙趣横生的对话中，毫不费力地接受了哥白尼学说，得出地球绕着太阳转的结论。
伽利略整整花费了5年工夫，深思熟虑，精心撰写，才完成了这本《对话》。动笔的时候，伽利略已进入花甲之年，由于体弱多病，再加上过度的劳累，好几次他不得不放下笔，卧床休息。
1630年，伽利略终于完成《对话》全部手稿。他把书稿送到罗马，请求教会发给许可付印证。很幸运，在兰塞学院塞西院长的帮助下书稿未经严格审查就得到了印发许可。不巧当这本书刚要交付印刷局排版的时候，欧洲那场大鼠疫发生了。这场瘟疫像野火一般传向整个欧洲大陆。当时人们既不了解病因，也不知道预防和治疗方法，大家都互相躲避，尽可能地少出家门，害怕染上这种可怕的疫病。《对话》的印制自然也就搁置下来了。不久，伽利略的好朋友塞西伯爵也不幸感染瘟疫逝世。塞西死后，他所创办的兰塞学院也被迫解散。因此，在罗马便无人料理这本书的印刷事宜。他只好将书稿拿回佛罗伦萨。
1631年，伽利略由市郊的塞尼别墅搬出，在阿塞特里村选定一幢较小的住宅。新居很幽静，附近还有他喜欢的葡萄园。最使他满意的是，从阳台上能看到他女儿所在的修道院。也可以经常去看望他的女儿，共享天伦之乐。平日里伽利略做些力所能及的小事，如修剪葡萄枝，为修道院修理计时钟等，借以消磨时光。
1631年冬末，大瘟疫的阴影刚刚消散，好消息便由佛罗伦萨传来了：兰迪尼印书馆答应承印《对话》一书。伽利略立即带着他的书稿和许可付印证，前往佛罗伦萨，交付印书馆付印出版。
1632年2月，《对话》终于问世了。
《对话》的问世立即就引起了巨大轰动。贺信从四面八方雪片般飞来。书一离开印刷厂，便立刻被抢购一空。书中的主人公萨格尔多、萨维阿提和散普利索也成了尽人皆知的人物。读者从他们的对话中，毫不费力地接受了哥白尼的学说。真理之声伴随着《对话》传遍全世界，并久久回荡在宇宙之中。
《对话》一书，从下笔到出书，历时8年之久。可以说，它凝聚了伽利略一生的全部科学思想，汇集了当时所有能够证实哥白尼学说的论据。它是一部划时代的科学文献，它对人类科学事业有着极其深远的影响。它与哥白尼的《天体运行论》、牛顿的《自然哲学的数学原理》一·起被今天的历史学家称为近代天文学的三部最伟大的著作。
