ガリレオは1564年2月15日、ヴィンチェンツォ・ガリレイ（Vincenzo Galilei）を父、ジュリア・アンマンナーティ（Giulia Ammannati）を母として、トスカーナ大公国領ピサで誕生した。父のヴィンチェンツォは1520年フィレンツェ生まれの、禄高は微々たるものだったが一応は貴族の出身者で[7]、生業（生活費を得るための職業）としては呉服商を営んでいたが[7]、音程学の研究者や音楽家としても名が知られた人物であった。母はペーシャ生まれであった。2人は1563年に結婚し、その翌年にイタリアのトスカーナ大公国領ピサで長男のガリレオが生まれた。この後、ガリレオには弟4人、妹2人ができた。弟のひとり ミケランジェロ・ガリレイ（英語版）（1575年 - 1631年）は父のように音楽方面で活躍し、リュート奏者、作曲家として名を残した。

父ヴィンチェンツォは音響学の研究で数的な記述・分析を重視する手法を用いた。これがのちに息子ガリレオが運動研究でとった数的な手法に影響を与えることになった、と指摘されている。