Vệ tinh Galileo (hay mặt trăng Galileo) là bốn vệ tinh tự nhiên lớn nhất của Sao Mộc - Io, Europa, Ganymede và Callisto. Chúng được Galileo Galilei quan sát lần đầu tiên vào tháng 12 năm 1609 hoặc tháng 1 năm 1610 và được ông công nhận là vệ tinh của Sao Mộc vào tháng 3 năm 1610. Chúng là những thiên thể đầu tiên được tìm thấy trên quỹ đạo của một hành tinh khác ngoài Trái Đất.
Chúng là một trong những thiên thể lớn nhất trong Hệ Mặt Trời ngoại trừ Mặt trời và tám hành tinh, có bán kính lớn hơn bất kỳ hành tinh lùn nào. Ganymede là vệ tinh lớn nhất trong Hệ Mặt trời thậm chí còn lớn hơn cả Sao Thủy, mặc dù khối lượng chỉ bằng một nửa. Ba vệ tinh nằm ở các vòng quỹ đạo bên trong là Io, Europa và Ganymede cộng hưởng quỹ đạo 4:2:1 với nhau. Do kích thước nhỏ hơn nhiều và do trọng lực mỗi vệ tinh quá yếu, tất cả các vệ tinh còn lại của Sao Mộc có hình dạng không đều thay vì hình dạng hình cầu.
Các vệ tinh Galileo được quan sát vào năm 1609 hoặc 1610 khi Galileo cải tiến kính viễn vọng của ông, cho phép ông quan sát các thiên thể rõ rệt hơn bao giờ hết. Các quan sát của ông cho thấy tầm quan trọng của kính viễn vọng như một công cụ cho phép các nhà thiên văn học quan sát tốt hơn, qua việc chứng minh rằng có những thiên thể trong không gian không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Việc phát hiện các thiên thể quay quanh một thứ gì đó ngoài Trái Đất đã giáng một đòn nghiêm trọng vào hệ thống Thuyết địa tâm, một lý thuyết từ trước đó có nội dung mọi thứ đều quay quanh Trái Đất.
Galileo ban đầu đặt tên cho khám phá của mình là Cosmica Sidera ("ngôi sao của Cosimo"), nhưng những cái tên cuối cùng của chúng lại được Simon Marius chọn. Marius đã phát hiện ra các vệ tinh một cách độc lập cùng thời điểm với Galileo, ngày 8 tháng 1 năm 1610 và đặt cho các vệ tinh này tên hiện tại của chúng, bắt nguồn từ những người tình của Zeus được đề xuất bởi Johannes Kepler trong tác phẩm Mundus Jovialis của ông, xuất bản vào năm 1614.
Đây là bốn vệ tinh duy nhất của Sao Mộc được biết đến, cho đến khi phát hiện ra "vệ tinh thứ năm của Sao Mộc" vào năm 1892.