La ruta fou planejada per aprofitar els camps gravitatoris dels planetes, ja que no hi havia propulsors prou potents per a enviar-la directament a Júpiter. Això li permeté estudiar Venus el 1990. En el seu trajecte cap a Júpiter també estudià el medi interplanetari i envià imatges de l’asteroide 243 Ida, del qual revelà que té el seu propi satèl·lit —primer satèl·lit detectat en un asteroide—. Després de diversos problemes amb les seves antenes, la Galileo oferí imatges de la col·lisió del cometa Shoemaker-Levy amb Júpiter a l’estiu del 1994 i al final del 1995 arribà a l’òrbita del planeta. Les descobertes dutes a terme per la sonda Galileo en sobrevolar els satèl·lits galileans han estat sorprenents. A Ganimedes descobrí l’existència d’una dèbil ionosfera, que implica la presència d’una atmosfera i magnetosfera pròpies, immerses en el si de la magnetosfera de Júpiter. L’anàlisi de les imatges de la superfície d’Europa mostrà l’existència de regions de nova formació juntament amb velles estructures, prova de l’activitat tectònica en aquest satèl·lit. També les imatges d’Io palesaren canvis, almenys en dotze regions, algunes associades amb els volcans Pele, Loki Patera i Ra Patera; aquest últim mostrà una ploma que s’enlairava fins a 100 km. Les observacions indicaren que el gas conductor d’aquest fenomen era diòxid de sofre, el qual es glaça en caure i es diposita sobre la superfície del satèl·lit. Una altra de les seves descobertes fou que els tres tènues anells al voltant de Júpiter són de pols formada pel xoc de micrometeorits sobre Amaltea i Tebe, llunes interiors del planeta. D’altra banda, la sonda també canvià substancialment la visió que es tenia sobre Ió, ja que sembla que té una temperatura més elevada del que s’havia calculat fins ara, amb valors que arriben a 2.000 K al magma. Originàriament la sonda fou dissenyada per a una missió de vuit anys. Durant un quant temps es pensà a reduir la durada de la missió a causa dels problemes en el desplegament d’una de les antenes, fet que comprometia greument l’enviament de dades. No obstant això, el problema fou resolt i l’èxit de la missió feu que aquesta es prolongués un parell d’anys més amb el nom de Galileo Europa Mission. La missió s’amplià una vegada més i finalment es donà per acabada el setembre del 2003, quan la sonda es desintegrà en l’atmosfera joviana.