A Galileo az űrkutatásban elindította a Jupiterbe robbanott amerikai űrhajót, amely a bolygó, a mágneses mező és a holdak kibővített orbitális kutatására szolgált. A Galileo a 10. és 11. úttörő (1973–1974), valamint az 1. és a 2. út (1979) sokkal rövidebb repülési látogatásainak folytatása volt.
A Galileót az Atlantis űrrepülőgép 1989. október 18-án helyezte el a Föld körüli pályára. Ezután egy körforgalmi pályára növelték a Jupiter felé, amely mentén számos gravitációs segítő, vagy csúzli eljárás előnyeit élvezte a Vénusz (1990. február 10.) és a Föld (1990. december 8. és 1992. december 8.) repülései során.. A napszél részecskéinek és mezőinek a bolygóközi körutazás során, majd a Jupiter mágnesszférájában történő figyelésére szolgáló érzékelőkön kívül a Galileo négy optikai műszert hordozó letapogató platformon volt ellátva. A nagy felbontású kamerát egy közeli infravörös térképezési spektrométer (a Jupiter holdjainak termikus, kémiai és szerkezeti tulajdonságainak, valamint a bolygó légkörének összetételének tanulmányozására), egy ultraibolya spektrométer (gázok és aeroszolok mérésére és komplex molekulák detektálására) egészítette ki.), valamint egy integrált fotopolariméter és radiométer (a légköri összetétel és a hőenergia-eloszlás tanulmányozására).
Az aszteroida övbe való két áthaladás közben a Galileo elhaladt a Gaspra (1991. október 29.) és az Ida (1993. augusztus 28.) aszteroidák mellett, ezáltal az első testekről közeli képet szemléltetve; a folyamat során felfedezett egy apró műholdat (Dactyl), amely körül Ida körüli. A Galileo egyedülálló perspektívát adott a Comema Shoemaker-Levy 9 ütközésének a Jupiterrel való ütközésről, amikor az 1994 júliusában bezárt a bolygón.
1995. július 13-án a Galileo 339 kg (747 font) légköri szondát engedt fel a Jupiterrel való ütközés során. Közel öt hónappal később (december 7-én) a szonda bejutott a jovián felhő tetején, kissé északra az Egyenlítőtől. Mivel az ejtőernyővel lassan leereszkedett a 165 km (körülbelül 100 mérföld) távolságon át, műszerei beszámoltak a környezeti hőmérséklettől, nyomásról, sűrűségről, nettó energiaáramokról, elektromos kisülésekről, felhő szerkezetéről és kémiai összetételéről. Majdnem 58 perc elteltével, miután teljesítette a küldetését, a szonda adó meghibásodott az emelkedő hőmérséklet miatt. Néhány órával később, hatéves és 3,7 milliárd km (2,3 milliárd mérföldes) utat teljesítve, a Galileo fő járműve Jupiter körüli pályára lépett.
Az elkövetkező öt évben a Galileo egy sor pályát repült el, amelyek szoros találkozásokat eredményeztek a Jupiter négy legnagyobb holdjával - a bolygó, az Io, az Europa, a Ganymede és a Callisto távolságának sorrendje szerint. Annak ellenére, hogy a nagy nyereségű főantennája a misszió elején megrongálódott, ami megrontotta az eredetileg tervezett pazar képalkotó lefedettség továbbítását, a Galileo a kiválasztott objektumok közeli portrét mutatott fel a holdokon és a Jupiter felhőrétegeinek drámai képeit, aurorák és viharrendszerek, beleértve a hosszú élettartamú nagy vörös foltot. Különös hangsúlyt kapott az Európa összetört jeges felületére vonatkozó részletes nézet, amely bizonyítékot szolgáltatott a folyékony víz felszín alatti óceánjára. A Galileo kétéves elsődleges küldetésének befejezése után a pályáját úgy állították be, hogy az erőteljes, potenciálisan káros sugárzásba kerüljön a bolygó közelében, hogy nagyon közel lássák az Io-t, és aktív vulkánjait példátlan részletességgel megvizsgálják. A Jupiter mágneses környezetének a Cassini űrhajóval történő összehangolt tanulmányozása után (1997. október 15-én indították), mivel ez a kézműves 2000. decemberében a jovia-rendszeren keresztül Saturn felé tartva repült, és a Galileo tevékenysége korlátozott volt. 2003. szeptemberében elküldték, hogy belemerüljön a Jupiter légkörébe, hogy elpusztítsa önmagát, hogy elkerülje a joviói hold esetleges szennyeződését.
