伽利略留給後世的著作中，最重要的應該是他的兩部《對話》。一部是1632年出版的《關於托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》（Dialogo Sopra i due Massimi Sistemi del Mondo, Ttolemaico, e Copernicono），另一部是1638年出版的《關於兩門新科學的對話》（Discorsi e Dimostrazioni Matematiche, Intorno a due Nuove Scienze）。
在中國，較多被公眾所知的是前一部。此書中譯本於1974年由上海人民出版社出版，是據英譯本翻譯的，翻譯質量極佳。正文600頁，定價1.50元人民幣（我確實沒有寫錯！）。可惜多年來早已芳蹤難覓，直到2006年才終於由北京大學出版社出了此書的插圖新版。
在《關於托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》中，伽利略假托三位上流社會人士在四天中對話的形式——這種對話形式是西方一直很流行的（想想柏拉圖的對話和後來《十日談》之類的作品吧）。兩個高貴而機智的貴族是沙格列陀和薩爾維阿蒂，「以純粹的沉思而不以快樂的追求為最大樂事」；另一個是「逍遙學派哲學家」辛普利邱，代表哥白尼理論的反對者，他「在領悟真理方面最大的障礙，看來是由於他因解釋亞里士多德而獲得的聲譽」。表面上看伽利略只是記錄三人的談話，似乎不偏不倚，但實際上他總是讓那位辛普利邱理屈詞窮。這樣他就在實際上宣傳並支持了哥白尼學說。
1632年出版的《關於托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》
伽利略的第一部「對話」——《關於托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》中譯本封面
伽利略在書中迴避了那些比較複雜的問題（比如木衛的蝕），專就一系列能夠向公眾解釋清楚的問題展開。書中對於每一個問題，都循循善誘，步步推進，使讀者能夠心服口服，而且真正明白。今日讀來，簡直就是一本極妙的科普著作。
由於伽利略的任務並不僅限於在物理、數學或邏輯上與對手辯論——要是這樣的話事情倒簡單了，他還要和那時禁錮著人們思想的亞里士多德學說進行鬥爭，而這就要涉及那個時代的意識形態問題。所以他的有些辯論技巧，是頗值得欣賞的。比如當辛普利邱在某個事實面前實在無話可說了，卻仍然說「如果不是亞里士多德的課本上講的和這相反，我將不得不承認它是事實」——也就是說，他寧肯不承認事實也要信仰亞里士多德。對此，伽利略說：「你難道會懷疑，如果亞里士多德會看到天上的那些新發現，他將改變自己的意見，並修正他的著作，俾能包括那些最合理的學說嗎？那些淺薄到非要繼續堅持他曾經說過的一切話的那些鄙陋的人，難道不會被他拋棄嗎？」
在我們以往的公眾讀物中，伽利略通常被描述成哥白尼學說的宣傳者和某種程度的殉道者。其實在伽利略早期手稿中，他曾斷然拒斥哥白尼學說，並且支持托勒密理論。事實上他直到1597年——哥白尼理論問世之後54年——才表示相信哥白尼學說，而且僅僅在一本不那麼為人所知的書《太陽黑子通信集》中唯一一次明確表示支持哥白尼天文學。在其他場合他都謹慎地迴避這個問題。他當然是個聰明人，為了盡可能地保護自己，採取了許多策略性的做法，不幸的是最終仍未逃過懲罰。第一部《對話》出版之後，他在羅馬受到審判，並被迫承認哥白尼學說是錯誤的。對伽利略終身監禁的判決，後來減緩為在家居住，但是由大主教「監管」。
在監管下伽利略繼續寫作。《關於兩門新科學的對話》1638年在荷蘭出版。此書在科學史上的意義實際上要大於第一部《對話》。所謂「兩門新科學」，指的是材料強度和運動學。在此書中，伽利略奠定了運動學的基礎。特別是，他通過對炮彈從射出炮口到落地的軌跡是一條數學上的拋物線的論證，對於運動在不同方向上的份量，以及這些份量在各種情況下的疊加與合成，給出了完美的解決。此書被視為近代物理學的基石之一，其處理問題的思路和手法則成為近代科學的典範。所以愛因斯坦說「他就是近代物理學之父——事實上是近代科學之父」。
與第一部《對話》相比，《關於兩門新科學的對話》中的許多內容要更艱深一些，書中有大量的「定理」、「命題」和「問題」，而且因為那時還沒有微積分這樣的數學工具，所以伽利略的許多證明只能採用相當繁瑣的幾何證明。當然，在說服辛普利邱時，他仍然花費了許多篇幅進行通俗解釋。
出版於1638年的《關於兩門新科學的對話》
出版於1638年的《關於兩門新科學的對話》內頁
伽利略的這兩部《對話》，出場的都是沙格列陀、薩爾維阿蒂和辛普利邱這三個人物，而且都是在四天中的談話。這種完全一樣的形式和結構，也許很容易讓人一不留神就搞錯。我可以用一則學術八卦來證明這一點。
2002年，史蒂芬·霍金主編的《站在巨人的肩上——物理學和天文學的偉大著作集》一書出版，其中收集了哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓和愛因斯坦五位科學偉人的代表性著作各一種。2005年此書中譯本出版，書中所收的伽利略的第二部《對話》至此才有了中譯本。在霍金此書中譯本的新聞發佈會上，大家眾口一詞稱讚遼寧教育出版社出版此書對於中國學術界的功德。
當時我悄悄告訴中譯本署名第一的譯者張卜天博士，說中譯本「前言」第一頁上有一處硬傷——將伽利略的第一部《對話》誤作第二部《對話》了。張博士很吃驚，表示「這幾乎是不可能的」，我說你回去查對就會知道。過了一些日子，張博士告訴我，中譯本沒有錯，因為英文原版上就是如此！
後來我也查對了英文原版，確實就是如此。這就是說，此處連霍金本人也將伽利略這兩部《對話》搞錯了！這倒是一個不太容易原諒的錯誤——因為霍金還在本書中寫了一篇伽利略的「生平和著作」呢。這件事後來成為朋友們拿我開玩笑的題目，玩笑是非常誇張的：「你真牛，連霍金的錯誤都發現了！」
霍金主編的《站在巨人的肩上——物理學和天文學的偉大著作集》原版封面。書中收有伽利略的第二部「對話」——《關於兩門新科學的對話》