별똥별이 무수히 쏟아지던 날, 학교 폭력으로 힘들어하던 지욱이가 뒷산에서 사라졌다. 평소 지욱이를 괴롭혔던 중훈이와 덕대는 지욱이를 찾으러 뒷산에 왔다가 ‘비밀 천문대’라는 간판이 있는 커다란 운석을 발견한다. 그곳에 나타난 갈릴레오는 지욱이가 ‘왕따 해결 공식’을 찾으러 떠났다’고 말한다. 그러고는 덕대와 중훈이에게 지욱이가 있는 곳으로 데려가 주겠다고 한다. 1600년대 이탈리아로 간 중훈이와 덕대는 그곳에서 지욱이를 찾기 위해 멀리 있는 사물이 잘 보이는 망원경을 갈릴레오 아저씨와 함께 만들고, 나아가 천문 망원경을 만드는 일까지 도전한다.

한편, 그 당시에는 대부분의 사람들이 우주의 중심은 지구이며 모든 천체들은 지구 주위를 돌고 있다는 천동설을 믿었는데, 갈릴레오 아저씨는 종교인과 과학자들에게 천동설의 오류를 지적하다가 잡혀 가고 만다. 아이들은 갈릴레오 아저씨를 구하기 위해 천동설이 틀렸다는 근거를 찾기 위해 노력하고, 급기야 재판장에 나가 많은 사람들 앞에서 갈릴레오 아저씨를 변호한다. 아이들의 노력에도 불구하고 끝내 갈릴레오 아저씨는 유죄를 선고받는다. 재판관은 갈릴레오에게 지금이라도 천동설이 옳다는 것을 인정하면 풀어주겠다고 이야기하는데……. 하는 수없이 천동설을 인정하고 감옥에서 풀려난 갈릴레오와 아이들은 부둥켜안고 울먹인다. 재판이 끝난 뒤, 갈릴레오 아저씨에게 ‘우주에 있는 별들은 우열을 가릴 수 없이 소중하다’는 것을 배운 아이들은 자신들이 살고 있는 현실로 돌아오고, 중훈이와 덕대는 지욱이에게 진심으로 사과하고 변하기 시작한다.