Los dibujos de Galileo muestran que observó Neptuno el 28 de diciembre de 1612, y de nuevo el 27 de enero de 1613; en ambas ocasiones, Galileo confundió Neptuno con un estrella fija cuando apareció entre las lunas de Júpiter en el cielo nocturno.
Históricamente se pensaba que él creía que era una estrella azul fija, y por eso no se le atribuye su descubrimiento. En el momento de su primera observación en diciembre de 1612, estaba fijo en el cielo. Debido a que sólo estaba empezando su ciclo retrógrado anual, se pensaba que el movimiento de Neptuno estaba siendo demasiado lento, y su tamaño aparente demasiado pequeño para aparecer claramente como un planeta en los pequeños telescopios de Galileo.
Sin embargo, en julio de 2009 el físico de Universidad de Melbourne David Jamieson anunció una nueva evidencia que sugiere que Galileo fue realmente consciente de que había descubierto algo inusual en esa estrella. Galileo, en uno de sus cuadernos, observó el movimiento de una estrella de fondo (Neptuno) el 28 de enero y un punto (en la posición de Neptuno), elaborado en una tinta diferente sugiere que lo encontró en un boceto anterior, elaborado en la noche del 6 de enero, lo que sugiere una búsqueda sistemática entre sus observaciones anteriores.
Sin embargo, hasta ahora no hay pruebas claras de que identificara ese objeto que se movía como un planeta, ni de que publicara estas observaciones sobre el mismo. No hay evidencia de que tratara de volverlo a observar de nuevo. La observación telescópica de Neptuno no se confirmó hasta 1846.