在義大利半島，伽利略作為科學革命早期階段的統帥性人物登上了歷史舞臺。伽利略出生於富有的商人之家，他學習了醫學和數學。像哥白尼那樣，他任教於帕多瓦大學，那是在歐洲領先的科學研究中心，當時幾乎所有其他大學都對科學觀察沒有任何興趣。
帕多瓦受到威尼斯的保護，而威尼斯對教皇懷有敵意，這種情況促使其大學在科學方法論的發展中發揮了超前的作用。帕多瓦的學者們就亞里斯多德對運動、對自然科學和形上學的關係問題和對生命的本質的解釋展開了激烈的辯論。
關於最後一個問題的辯論極為關鍵，因為它關係到科學研究是否可以獨立於天主教會的問題，而天主教會認為，天啟宗教才是真知的唯一來源。
在科學革命的早期階段，關於天空的新思維方式、系統的觀察以及科學的測量比新技術的發展有更為重要的作用。但是，望遠鏡的發明推動了進一步的發展。
1609年，伽利略了解到在荷蘭有人發明了一種"望遠鏡"，它可以將物體放大許多倍，於是伽利略自己做了一臺。這臺望遠鏡使他可以研究木星的衛星、土星壯觀的光環、銀河系中無數恆星中的一部分，以及月亮上的環形山。
他觀測到太陽表面上似乎有些黑點在移動，於是推論太陽也在旋轉。太陽黑子似乎在變化，這件事也挑戰了"宇宙是靜止的"這一傳統觀點。
伽利略逐步推翻了亞里斯多德的運動理論。他證明了地球永遠在旋轉，不同重量的球體在下落時會獲得同樣的速度，因此物體的質量不能決定物體的運動速度。
通過這些實驗，他研究出慣性理論：以恆定速度沿直線運動的物體將繼續運動，直至遇到另一股力量。他還證明了，當地球圍繞太陽旋轉時，空氣和雲也在隨之運動，但對於隨著地球一起運動的觀測者而言，它們看起來是靜止的。
在他的屋子裡有一些房間專門用於實驗，發揮了最早的大學實驗室的作用。
不同於其他學者，伽利略向手工藝人和工匠不恥下問，以尋求實用的信息。他請教造大炮的工人、開過炮的士兵，以及那些製造羅盤、星盤、四分儀和其他用於航海的科學儀器的技師。他開始研究水泵，以及治理河流的其他手段，還計劃建造更堅固的軍事堡壘。
儘管如此，伽利略並不關心他的發現是否能被普通人理解。不但如此，他還宣稱"地球運動這個命題遠遠超出了普通大眾能夠理解的範圍"。他認為，應該讓"數量太多的民眾"保持無知，以免他們"變得迷惑、固執、倔強"。
最初，伽利略試圖使自己與哥白尼的發現和早期的教會文獻相一致。但是伽利略大膽地堅持認為，就其本身結構而言，宇宙是符合數學的，並且遵守可以被發現的力學定律，這種堅持讓他遭到了教會當局的抨擊。
1610年，他寫信給克卜勒："在帕多瓦這裡有一位地位很高的神學教授，我多次急切地請他用我的望遠鏡觀察一下月亮和行星，但他頑固地拒絕了。為什麼你不在這裡呢？我們可以一起大聲嘲笑這個光榮的蠢貨！"1616年，教皇譴責伽利略的日心說，並警告他不能教授這個主張。
但是伽利略依舊無畏地出版了《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，在這部著作中，他通過分別擁護託勒密體系與哥白尼體系的兩派人之間的長篇對話來嘲弄亞里斯多德派。
其中有一名叫辛普利邱的人，他在對話中站在託勒密一邊；這個角色的名字觸怒了教會，因為它暗示這個可笑的角色象徵著教皇。這導致伽利略在1633年遭到了宗教裁判所的譴責。伽利略被軟禁在他自己的位於佛羅倫斯山上的別墅中，他在那裡繼續觀察、實驗、寫作，並在荷蘭出版他的著作。
1638年，他失明了，教皇拒絕允許他去佛羅倫斯看病。儘管雙目失明，但伽利略仍繼續其科學研究，直到4年後離世。
這兩位天才思想家分別來自法國和英國，他們都接受了伽利略對古典和中世紀知識體系的修訂。但他們兩人卻提出了截然相反的科學認識論。勒內·笛卡爾尋求通過演繹推理來發現真理。而在英吉利海峽的另一邊，艾薩克·牛頓響應他的同胞培根的堅決主張：
認識的途徑是科學實驗。一個接著一個令人驚嘆的發現鞏固了科學"新哲學"的基礎。激烈的社會和政治動蕩從16世紀90年代一直持續到17世紀中葉，在該時期及隨後的時間裡，科學在追求可論證的真理和權威方面起到了重要的作用。
避世隱居的法國哲學家勒內·笛卡爾（1596—1650）和培根與伽利略一樣批評古代和中世紀的學問。但是他卻提出一種不同的方法來理解宇宙，他採納演繹推理法，即通過一系列前提來演繹出結論，而非通過科學實驗得出。
1637年，笛卡爾出版了《方法論》。在非常個人化的記述中，他討論到自己年輕的時候曾排斥所遇到的科學學說。他學習的內容中有太多沒有批判性的評論就從傳統中沿襲下來。他帶著對抗的心理"決心不再研究除了可在自身或是世界這本大書裡找到的知識以外的任何其他科學"。
笛卡爾宣稱，任何人在開始時都必須如同一塊白板，如此來通過推理演繹去理解這個世界。"我思故我在"（Cogito,ergosum）就是他的起點，這是假定一種不言而喻的真理為前提，並斷言思考能力是人類存在的基礎。
然後，他提出，每個問題必須被拆分成"為了獲得令人滿意的答案所必需的儘可能多的部分"，從最簡單的想法上升到最複雜的，正如用公式表達數學證明那樣。笛卡爾哲學（笛卡爾及其追隨者的哲學）認為，世界可以被還原為兩種實體：
精神和物質，即"思想實體"和"廣延實體"。物質被定義為填滿了所有空間、完全不留下空隙或真空的無限數量的粒子，它可以被發現，並用數學方法描述，運動的規律也可如此被發現和描述。笛卡爾從確定他自己的存在開始，提出物質宇宙和上帝的存在可以被演繹推理出來。
他堅持應該"從最小、最容易理解的物體開始，逐漸認識最為複雜的對象"。
這種唯物論的認識方法幾乎沒有給古代和中世紀的學問留下任何餘地。作為這種決裂的標誌，笛卡爾用法語出版了他的著作，將拉丁語等同於經院哲學和教會教義。
與克卜勒一樣，笛卡爾認為，上帝是一位仁慈的、擁有無限力量的鐘表匠，他根據人類可以通過合理的推斷來發現的法則創立了宇宙。根據這一觀點，上帝此後就退了回去，永遠不介入他的創造物的實際活動。
笛卡爾提出，數學表現了"其推理的肯定性和自明性"。因此，它是所有科學的基礎，每一種現象的法則最終都能夠被發現。笛卡爾因此在探求真理時把實驗放在推理之後。許多前去會晤笛卡爾的學者中，有一位回憶說："許多人都希望他能向大家展示他的工具……他會拉開桌子下的一個小抽屜，拿出有一條腿壞了的圓規；然後，他的尺子就是一張對摺的紙。"
艾薩克·牛頓爵士（1642—1727）以克卜勒、伽利略和笛卡爾的思想為基礎，再加上他自己超凡的發現，實現了科學革命的大膽綜合。牛頓的《自然哲學的數學原理》（1687）是科學原理的第一次綜合。牛頓綜合了伽利略等科學家的經驗論與笛卡爾的理論嚴謹性及邏輯，奠定了現代科學的兩個基礎——理論和實驗。