伽利略卫星（英语：Galilean moons）是木星的四个大型卫星，由伽利略于1610年1月7日首次发现。这四个卫星可以用低倍率望远镜来观测到，如果没有光害，且环境极好，甚至可用肉眼勉强看到木卫三和木卫四，利用数位单反相机搭配合适的望远镜头也可以轻易的在较无光害的地方拍下这几颗伽利略卫星。
随着伽利略·伽利莱对望远镜进行改进，其望远镜的已能够放大20倍，并让伽利略能够更清楚，更仔细地观察各个天体。在1609年12月和1610年1月期间，伽利略在观察木星时，发现了这些伽利略卫星。
于1610年1月7日，伽利略在一封信件中第一次提及关于木星的卫星。在当时，他只看到了三个伽利略卫星，并以为它们是固定在木星附近的恒星。于1610年1月8日至3月2日，他继续观察这些伽利略卫星，并发现了第四颗伽利略卫星，及发现了这些天体并非固定的恒星，而是围绕着木星公转的卫星。
伽利略的发现证明了望远镜的重要性，并让望远镜成为天文学家发现亮度不足的各种天体的工具。更重要的是，伽利略证明了并不是只有地球才有卫星，其他行星也可以有卫星，无疑是对当时流行的地心说造成一个重大的打击。之后，伽利略也接受了哥白尼日心说。由于这些发现，伽利略能够透过测量卫星的公转去计算其经度。
伽利略可能并非所有伽利略卫星的发现者。中国天文学家席泽宗声称，早在公元前362年，战国时代齐国天文学家甘德已发现了木卫三，比伽利略的发现早近20个世纪。
1610年伽利略观测这四个卫星多日，发现虽然木星在空中移动，卫星仍环绕木星公转，从而得到支持哥白尼日心说的论据，即并非所有天体均环绕地球旋转。木星的伽利略卫星在1610年发现后不久便由西门·马里乌斯命名为“艾奥”、“欧罗巴”、“盖尼米德”和“卡里斯托”。20世纪之前，这些名称并不受欢迎，取而代之的为“木卫一”、“木卫二”，或“木星的第一颗卫星”等诸如此类的称号。这些名称要到20世纪才被广泛使用。
木星的伽利略卫星在木星的卫星分类上属于木星的主卫星群（木卫一、木卫二、木卫三和木卫四）。它们的半径比起任何矮行星都要长，而且论直径是太阳系中除太阳和八大行星之外最大的天体。木卫一至四分别为太阳系中第4、第6、第1和第3大的天然卫星。他们占木星卫星总质量的99.999%。木星的质量大约是伽利略卫星的5000倍。
木星的伽利略卫星除了木卫四因为距离比较远之故所以没有参予和木星的轨道共振外，其余三颗卫星皆与木星形成轨道共振。而这四颗大型卫星皆与木星形成潮汐锁定，即皆以同一面半球永远对着木星公转。木卫一与木星之间距离350,000公里，公转木星一周只需要42.5小时，（即快到足以在一个晚上就观测出它的运动）。艾奥的平均轨道周期与欧罗巴有2：1的轨道共振，和盖尼米得有4：1的轨道共振，即艾奥每绕行木星二周，欧罗巴即绕行一周；而艾奥每绕行四周，盖尼米得绕行一周。这种共振协助艾奥维持轨道离心率（0.0041），并反过来为艾奥的地质活动提供主要的热源。木卫二与木星之间的平均距离为 670,900公里，公转一周只须三天半的时间。它的轨道十分接近正圆，偏心率仅0.009。 跟其他的伽利略卫星一样，木卫二也被潮汐锁定，因而有一个半球永远朝向木星。木卫三的轨道距离木星107万400公里，是伽利略卫星中距离木星第三近的，其公转周期为7天3小时。和大部分已知的木星卫星一样，木卫三也为木星所锁定，永远都以同一面面向木星。
木卫一和木卫二、木卫三保持着轨道共振关系：即木卫三每公转一周，木卫二即公转两周、木卫一公转四周。当木卫二位于近拱点、木卫一位于远拱点时，两者之间会出现上合现象；而当木卫二位于近拱点时，它和木卫三之间也会出现上合现象。木卫一、木卫二和木卫二、木卫三的上合位置会以相同速率移动，遂三者之间有可能出现三星合现象。这种复杂的轨道共振被称为拉普拉斯共振。木卫四是距离木星最远的伽利略卫星，其轨道距离木星约188万公里（是木星直径7万1398公里的26.3倍），比之距离木星次近的木卫三的轨道半径107万公里远得多。由于轨道半径较大，故其并不处于轨道共振状态，可能永远也不会处于这种状态。木卫四是一颗同步自转卫星，即木卫四的自转周期等同于其公转周期，约为16.7个地球日。木卫四不参与轨道共振，这意味着它永远都不会产生明显的潮汐热效应，而潮汐热效应是星体内部结构分化和发育的重要动力。
模拟显示木星在过去可能有几个世代的伽利略卫星。每个世代的伽利略卫星可能已被木星原行星盘的引力拉向木星并被破坏，而剩余的碎片则会形成新的卫星。至这个世代的伽利略卫星，木星的原行星盘已对卫星的影响已经极微。木卫一并没有任何水存在，且内部可能含有岩石和金属。而木卫二则约8%质量为水。以下资料依各卫星与木星的距离来排列：
伽利略卫星是太阳系中体积最大的数颗卫星之一。木卫三是太阳系最大的卫星，其大小甚至比水星还要大。木卫四和木卫一分别是太阳系第三和第四大卫星，仅次于土卫六。而木卫二则是太阳系第六大卫星，稍比月球小。
所有伽利略卫星在远离木星时，都足够让人类用肉眼观察得到。但是，因为木星本身的亮度高，所以伽利略卫星在大部分时间中均会被木星的光盖过。当木星位于冲时，那么伽利略卫星的亮度就会介乎于4.6至5.6之间。