从宗教裁判所出来的伽利略，感到“万念俱灰”。被爱放弃自己拥护的学说， 这是多么痛苦的事！回到家乡佛罗化萨以后，他只好在实验室里悄悄地做实验，而 不敢把所发现的东西公之于众，更不敢讲地球的运动了。但是，他在实验中一次次 激动人心的成果，重新燃起了他希望之火；朋友们同仇敌忾的呼声，鼓起了他宣传 科学的勇气。1623年，他终于发表了一本总结自己实验成果的著作《实验集》。这 本书一出版，便博得了不少好评。由于此书不涉及哥白尼学说，也避免了与圣经抵 触的词句，因此得到教会的认可。伽利略暗自庆幸，次年亲赴罗马，不仅结交了一 些教廷大员，还拜访了新教皇伍尔邦八世。这位教皇，过去曾是伽利略的朋友， 1629年还作过一首十九节的拉丁短诗，歌颂伽利略的天文发现。他初登教皇宝座， 便接受了伽利略《实验集》的晋献，赠给他锦标一面和金、银奖章各一玫。
由于和教会人士的关系好转，伽利略认为可以比较大胆地进行科学研究了。他 回家以后，通过深入细致的研究，进一步证明了哥白尼学说的正确。但是，他没有 忘记1616年的审讯，那时他曾宣布放弃哥白尼学说。现在条件好些了，还要不要宣 传自己的正确观点呢？怎样才能避免教会的迫害呢？他经过深思熟虑，决定采取一 种巧妙的方法来宣传哥白尼学说。他写了一本《两种世界体系的对话》，书中以三 人对话的形式讨论托勒玫的地心说与哥白尼的日心说哪个正确的问题。其中一人代 表托勒玫，一个代表哥白尼，还有一个旁观者，对前两人的讨论作出判断，他实际 是代表伽利略明显支持哥白尼学说的，但从字面上看不出伽利略本人站在哪一边。 这本书花了3年时间，于1629年完成了初稿。
1630年5月，伽利略带着《对话》再赴罗马，请求教会准许付印。负责书籍审 查的黎加尔地主教（Riccardi）看了伽利略的稿件，认为他未顾及1616年断案， 于是命他前后加些序跋，言明所谓哥白尼学说，仅系一种假设，所收集的一切反对 托勒玫学说的证理，并非在于指出它的错误，只不过是一种反诘性设通信班而己。 伽利略照办了，序言的开头，他用一种维护教会的口气写道：“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，及时地禁止了人 们谈论毕达哥拉斯学派的动说。有些人公然无耻声称，这道敕令的颁布并未经过对 问题的公平考察，而是出于知识不够而引起的激情。还可以听到一些埋怨说，对天 文观察完全外行的法官不应当以草率的禁令来束缚理性的思维”。实际上，他所指 责的那些言论，正是他自己的正确观点，但他却装着反对的样子，接着写道：“听 到这类吹毛求疵的傲慢言语时，我的热情再也抑制不住了。由于我充分理解这一慎 重的决定，我决心作为对这一庄严真理的一个见证人而公开出现在世界舞台上”。 这样看来，他写书的目的似乎是为了澄清事实真相，以维护教会的名誉。当伍尔邦 八世知道伽利略要印行新书时，便向他的秘书强包理主教（Ciampoli）探询一切， 秘书回答请他放心，说一切都在按法定程度进行。教皇以为伽利略已“改过”，并 未阅读他的稿件就允许刊印了，而且还召见了他。
伽利略回到佛罗伦萨以后，经过一些不大的波折，《对话》便于1632年刊行问 世了。书中有佛罗伦萨审查员的许可证，还有黎加尔地主教的批文。这些不懂天文 的主教们，并未察觉伽利略的真实意图。
其实，《对话》决不是像序言所说的那样。为了维护教会的，它实际上是和教 会宣传的地心说针锋相对。书中列举大量事实，论证哥白尼学说，应付对方的各种 设难。例如有人说，若金星绕日而行，就该有月球一样的变相，但并没人见到它的 盈亏啊！伽利略说，利用在文望远镜，就可以清楚地见到金星的变相。他还以木星 为例，绘图解释行星的逆行、顺行和留，以此说明地球和其他行星都在绕日而行。 另外，人们很难相信地球这么大的球会自己转动，但通过书中列举的太阳自转的事 实，读者自然会想，既然庞大的太阳还能自转，比之渺小异常的地球为什么不能自 转呢？书中还利用木星的4个卫星的发现来支持哥白尼学说。他描述说：这些卫星 的形状的改变如同我们看见月亮形状的改变一样，因此，月球也是地球的一颗卫星。 在绕日公转的过程中，地球带着月亮，就像木星带着它的卫星一样。
《对话》一书不仅有很高的学术价值，而且形式活泼、语言生动，堪称科学史 上的一部杰作。它一出版就受到人们的热烈欢迎，人们通过两种宇宙观的比较，更 加信服哥白尼学说。这时，教会的神学家们把书拿来仔细察看，这才明白也伽利略 的真实目的。他们极为冒火，后悔当初不该准许这本书出版。教皇伍尔邦八世认为 自己受了伽利略的欺骗，更是恼羞成怒，早把过去和伽利略间的友情忘得一干二净 了。正在这时，有人到教皇那里诬告伽利略通过书中的人物辛普利邱（Simplicio， 代表托勒玫）侮辱教皇。这对盛怒的教皇来说，无疑是火上浇油。他和主教们一致 认为，伽利略在1616年受罚后，重新犯罪，必须严加惩处。
1633年的审讯
1632年8月，黎加尔地主教向印刷局发出紧急通知，停售伽利略的《对话》， 同时把这部书送交神学会审查。审查结果是：伽利略虽用了一些含蓄而模棱的语言， 但毕竟冒犯了1616年接受的命令，因为书中把地动说当作事实而非假定，并多方证 明它。不久，伽利略便接到传令，要他在10月底以前到罗马受审。年近七旬、体弱 多病的伽利略请求在佛罗伦萨受审，但教皇坚决不准，11月19日再次发出传令。这 时，伽利略身体更差了，医生如实写了证明书：“伽利略生病在床。他可能到不了 罗马，就到另一个世界去了”。伽利略的一些朋友也到教皇那里求情，希望能开恩 免除他的罗马之行。但教皇竟不管伽利略的死活，命令道：若伽利略再不来罗马， 就“依被告提审不到的常规，拘捕前来！”意思是给他戴上刑具，押来罗马。伽利 略不得不在朋友的搀扶下上路，经历了千辛万苦，于1633年初来到罗马，并立即被 宗教裁判所监禁起来。
6月21日第二次开庭。法官们问道：“你是否信仰或信仰过地的转动？”伽利 略答道：“1616年前，我以为托勒玫和哥白尼两学说有同等学术价值，自我接到禁 令之后，就只把托勒玫学说看作不变的真理了”。很明显，这都是他被迫说出来的 违心的话，法官们当然不信。为了让伽利略招认“信仰地动说”的“罪状”，法官 向伽利略喝道：“你的著作与供词绝然不符。必须吐出真情，否则就要动刑了！” 但伽利略依然重复着上面的话。法官无可奈何，看着他那满头白发和虚弱的身体， 知道他禁不住拷打，大概一动刑就要见上帝，于是便把他押了下去。