1608年にオランダで望遠鏡が発明されたことを聞いたイタリアのガリレオ・ガリレイは望遠鏡を自作してみた．現在のようにお店で売っていないから，ガリレオは，ガラス板を研磨剤でみがいてレンズを作った．また，両面を曲面にすることができなかったので，片方は平なままにした．対物用は中央がもりあがっている凸レンズ，接眼用は中央がへこんでいる凹レンズを用いた．手でみがくので完全な形にするのは難しく，レンズの性能の悪い部分にはおおいをかけた．これを木製の円筒の両側に組みつけた．ガリレオは，この方法で数十台の望遠鏡を製作したとされている．
1610年にガリレオはトスカナ大公コジモ二世にささげる形で，望遠鏡で見た世界を書いた「星界の報告」という本を出版した．この本には，月面の凹凸，木星の衛星の公転，天の川が星の集まりであること，などが書かれていた．その後，ガリレオは，太陽観測によって太陽の黒点が規則的に移動することや，金星の大きさが変わるのにあわせて満ち欠けすることなどを望遠鏡で観測した．
これらの観測事実によって，ガリレオは太陽中心説が正しいことを，自らの目で確認した．そして望遠鏡を使えば誰でも太陽中心説が正しいことを認めるだろう，と考えた．ガリレオは互いに成果を手紙でやりとりしていたケプラーが，太陽中心説の理論的解析に成功したことも知っていた．そこで，ガリレオは1632年に「天文対話」という本を書いて，太陽中心説擁護の論陣を張った．当時，プロテスタントから強い批判を受けていたローマ・カトリック教会にとって，地元のイタリアで聖書の記述に反する本が出版されるのは許すことができない行為であった．また，ヘルメス思想と太陽中心説を支持したジョルダン・ブルーノを異端として火刑に処された前例もあった．ガリレオは異端審問を受け，本は禁書となった．これ以降，フランスの哲学者で慣性の法則を重要視したルネ・デカルトが太陽中心説を主張するのに慎重になるなど，自然科学と宗教の関係が難しくなった．ガリレオやブルーノの異端審問の過ちをバチカンが正式に認めたのは20世紀末になってからであった．
異端審問によりフィレンツェで幽閉されたガリレオは，天文学ではなく地上の運動法則の解明の研究に集中することになった．その成果は，「新科学対話」としてオランダ人のエルセビアが出版し，ヨーロッパ中の知識人が読み，近代科学の基本的方法論について学んだ．このことから，ガリレオは「近代科学の父」と呼ばれることがある．
ガリレオが1642年に亡くなった翌年，イギリスで生まれたのがアイザック・ニュートンである．ケプラー同様に苦学してケンブリッジ大学に入学したニュートンは，そこでバロー教授に数学と科学の才能を認められ，大学に残って研究する機会を得ることができた．当時，ヨーロッパではペストが流行し，これから逃れていたニュートンは，疎開先での時間を使って，微分積分法や二項定理，そしてリンゴの落下の逸話で有名な万有引力の法則などを着想した．これらの成果をまとめた主著が「プリン気ピア」で，1687年に出版された．この本の内容は，それまでのケプラー，ガリレオ，ルネ・デカルトの成果を総合するもので，ニュートン自身がこれを「私がかなたを見渡せたのは，ひとえに巨人の肩にねることができたからだ」と表現している．この成果は,ピエール・ラプラスやジョセフ・ラグランジュによって，より精密化され，観測をしなくても，力学的な計算によって天体の運動を計算することが可能になった．現代においても人工衛星や彗星の軌道計算にはニュートンの方法で十分な精度が得られる．ニュートンにいたって近代科学はほぼ完成された，といってよい．
また，ニュートンは，光の研究も行い，それまでの天体望遠鏡の弱点であった色がにじむ現象をなくすため，光を集める方法として凹面鏡を使う望遠鏡を設計した．今日の大型望遠鏡は，ニュートンの望遠鏡を原型としている．
ニュートンは，宇宙の見方についても革命的な見解を示した．それは，万有引力が働いている宇宙は，無限かつ等方でなければつぶれてしまう，という考え方である．ニュートンの宇宙では，古代ギリシャやコペルニクスのように，どこが宇宙の中心であるか，という議論は意味がないことになる．現在の宇宙が非常に大きな広がりがあるものだ，という常識は，ニュートンによって科学的な証明を得たといってよい．ニュートンの宇宙では，物質は無限個の固まりにつぶれると考えられた．このかたまりは，一つは，太陽のような恒星であり，さらにその恒星が集まった銀河，ということができる．実際には，少しでも等方が乱れれば宇宙はつぶれてしまう．そうはならない原因は，20世紀に発見されたハッブルの法則により，宇宙膨張という現象の発見によって解決された．