伽利略作为实验物理学的先驱，他把实验方法、分析方法和数学方法综合地运用于力学研究，为近代自然科学开创了一个新时期。爱因斯坦评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”
应该说，科学实验的萌芽在古代就已出现，如药用植物的寻找，浮力定律的发现，火药配方的改进，动物机体的剖析等，都有实验研究的特点。但就科学活动整体来讲，古人基本是对生产过程和自然过程的直接观察，是记录和整理生产经验和已知的事实，而不是自觉地应用仪器去探索未知的世界。17世纪时，近代力学在实验的基础上首先取得了重大的进步；伽利略对一系列运动学与力学现象的研究，是利用实验方法取得重要成果的范例。
（一）单摆的等时性
伽利略对物理实验十分着迷，传说1582年，他还是比萨大学的医科学生的时候，有一次在教堂里做礼拜，一盏吊灯的晃动引起了他的注意。因为有风，吊灯时而摆动幅度大一些，时而小一些；但是他发现，不管摆动幅度是大是小，摆动一次的时间总是相等的。当时还没有钟表之类的计时工具，伽利略用自己的脉搏计时验证了自己的发现。回到家后，他又亲自动手做了两个长度一样的摆，让一个摆幅大一些，另一个小一些，结果极为准确地证实了这个发现。
这个传说一般来说是靠不住的，已经考证出，比萨教堂的这盏灯是1587年制造的，而此时伽利略已经离开了比萨。但是，在1602年的一封信中，伽利略的确提到这单摆实验。在以后的研究生涯中，伽利略一直保持着对实验的兴趣，他自己设计了不少科学仪器，其中包括测温器（1593年）、比重秤（1586年），望远镜当然是其中最为重要的。
（二） 自由落体运动规律
在16世纪以前，亚里士多德运动观一直占统治地位。亚里士多德认为：物体运动的有无和快慢与它是否受到力的作用和力作用的大小有关；体积相等的物体下落的快慢与它们的重量成正比，即较重的下落快，较轻的下落慢。这种观点比较符合人们的常识，再加上亚里士多德的权威及其被宗教利用，在当时被人们敬为圣贤之言，不可触犯。对这一错误观点发起冲击的是伽利略。
伽利略用逻辑推理的方法进行论证分析，发现了亚里士多德自由落体观点中的逻辑矛盾。他设想把一个重的物体和一个轻的物体捆在一起下落，会发生什么情况。若按照亚里士多德的观点，一方面，它们的重量是两个物体重量之和，也就是说两物体捆在一起理应比重的物体单独下落的速度快。但另一方面，重的物体和轻的物体捆在一起，亦即两个不同下落速度的物体捆在一起，那么下落快的重物必然被下落慢的轻物拖住而减慢下落速度，于是，两物体捆在一起的下落速度理应比重的物体单独下落的速度慢。根据亚里士多德的观点“合理地”推出了两个对立的结论，伽利略对亚里士多德的观点提出了疑问，他认为解决这一逻辑矛盾的唯一途径是：下落速度与重量无关。
伽利略并未满足于逻辑推理，而是通过实验寻求根据。他从单摆运动的研究中得到启发，设计了著名的“斜面实验”。一个小球沿斜面下滑，可以看成“冲淡重力”的条件下的落体实验。物体在垂直地自由下落时，由于降落速度很快，很难精确测定不同重量物体降落过程；但在斜面上，引起物体下落的只是重力沿斜面的分力，因而易于观测。伽利略反复进行实验，终于得到了自由落体是匀加速运动，其下落的速度和时间同物体的轻重无关的结论。
伽利略在《关于两门新科学的对话》中详细地陈述了他的控制实验方法，该书是伽利略被软禁后于1637年写成，次年在荷兰出版。所谓两门新科学指的是材料力学和运动力学。关于“斜面实验”，其做法如下：
“取大约12库比特长、半库比特宽、三指厚的一个木制模件或一块木料，在上面开一条比一指稍宽的槽，把它做得非常直、平坦和光滑，并且用羊皮纸给它画上线，羊皮纸也是尽可能地平坦和光滑，我们沿着它滚动一个硬的、光滑的和非常圆的黄铜球。把这块木板放在倾斜的位置，使一端比另一端高出1或2库比特，照我刚才说的把球沿着槽滚下，并用马上将要描述的方法记录下落所需的时间。我们不止一次地重复这个实验，为的是精确地测量时间，以使两次观测的偏差不超过1/10次脉搏。在完成这种操作并且确认它的可靠性之后，我们现在仅在槽的1/4长度上滚这个球；在测得它下降的时间后，我们发现它精确地是前者的一半。接下去我们尝试别的距离，把球滚过整个长度的时间与1/2， 2/3， 3/4或者任何分数长度上的时间作对比，在成百次重复的这种实验中，我们总是发现通过的距离之比等于时间的平方之比，并且这对于平面，即我们滚球的槽所在平面的所有倾角都是对的。”[17]
“为了测量时间，我们用一个大的盛水的容器，把它放在高处；在容器的底部焊上一根小直径的能给出细射流的水管，在每一次下落的时间内，我们把射出的水收集在一个小玻璃杯内，不管是对槽的整个长度还是它的部分长度，在每一次水下落后，这样收集的水都在非常精密的天平上被称量；这些重量的差别和比例给了我们时间的差别和比例，我们以这样的精度重复操作了许多许多次，结果没有可以感知的差别。”[18]
（三）对惯性运动的认识
在以“斜面实验”发现和验证自由落体定律的基础上，伽利略又发现了“惯性运动”——物体在没有外力作用的情况下，不仅有保持其静止状态不变的特性，而且还有保持其匀速直线运动的特性。在这里，伽利略再次利用理想实验的威力：斜面实验表明，倾斜度越小，小球的加速度也越小；如果把斜面完全放平，并且斜面无比光滑，小球的加速度将会变为零，小球也将永远沿直线做匀速运动。
伽利略对“惯性运动”的认识，构成对亚里士多德力学观的否定。亚里士多德的力学观：必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会静止。而伽利略通过观察、实验和推理，得出结论：如果运动物体不受阻碍，它将速度保持不变地持续运动下去。
（四）运动叠加原理
伽利略的第四个重要发现是运动叠加原理。这是在研究抛物运动时发现的。尽管当时的工程师们已发现抛物运动轨迹是一条曲线，大炮的仰角为45°时射程最远，但却没能给予严格的证明。伽利略认为水平方向的匀速直线运动和垂直方向的自由落体运动同时存在于抛物上，互不干扰合成一种运动。他把两种运动加以分解，使用几何学的方法证明抛物运动的轨迹是一条抛物线，在仰角为45°时水平距离最远。他的研究开始了把复杂运动分解为若干简单运动的运动学研究方法。
对于抛物运动的研究，伽利略运用了“惯性运动”这一革命性的新概念。伽利略认为，一个抛出或发射出的物体同时在作两种不同的运动。一方面，抛出的物体在按照自由落体定律向下掉落；另一方面，它还沿着一条水平线以惯性运动，这就意味着它是在没有受到任何推动者推动的情况下自己在运动。物体在脱离了它的投掷者以后，应该如何确定它继续运动的推动者，难倒了亚里士多德力学长达2000年之久，成为一个无法解决的大难题；伽利略用“惯性运动”这一革命性的新概念来表述这种运动，难题就一下子迎刃而解。对于伽利略来说，不需要什么推动者，因为完全不需要任何东西去解释谁引起的自然惯性运动。
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