Ce livre est le premier (1632) et le plus célèbre des livres de physique. Au fil d'une aimable conversation entre l'honnête Sagredo, l'aristotélicien Simplicio et le subtil Salviati, Galilée y développe trois thèmes majeurs. Il cherche d'abord à montrer "que toutes les expériences qu'on peut faire sur la Terre sont insuffisantes pour conclure à sa mobilité" - en d'autres termes que la Terre peut aussi bien être en mouvement (thèse copernicienne) qu'au repos (thèse "officielle"). Il examine ensuite les phénomènes célestes - taches sur le Soleil et montagnes de la Lune - pour assurer une "victoire" définitive aux idées de Copernic. Il propose enfin une théorie (erronée) des marées. Surtout, le dialogue qu'il a choisi de mettre en scène "laisse place à des digressions qui parfois ne sont pas moins intéressantes que le sujet principal", et fait constamment référence à des situations familières: le principe de l'inertie est introduit grâce à des mouches et à des poissons dans un bocal. C'est sans doute de ce mélange intime entre les raisonnements les plus abstraits et les opinions les plus ordinaires que ce Dialogue tire son éternelle jeunesse.
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