La forma di Galielo Chini è praticamente unica nel panorama dell' arte italiana. Galileo Chini nacque a Firenze. Dopo la morte del padre, si iscrisse alla Scuola d'Arte di Santa Croce, a Firenze, dove frequentò i corsi di decorazione. Iniziò a lavorare nella fabbrica di prodotti chimici Pegna, successivamente fu apprendista decoratore nell'impresa di restauri dello zio paterno Dario (1847-1897). Proseguì nell'attività di apprendista fino al 1895 frequentando, oltre l'azienda dello zio, le botteghe di Amedeo Buontempo e Augusto Burchi, entrambi pittori attivi in quegli anni a Firenze.
Dal 1895 al 1897 frequentò saltuariamente la Scuola Libera di Nudo all'Accademia di Belle Arti di Firenze.
A Firenze nel 1896 fondò la manifattura "Arte della Ceramica" insieme a Giovanni Vannuzzi, Giovanni Montelatici e Vittorio Giunti. Nel 1897 il Comune di San Miniato commissionò a Dario Chini il restauro degli affreschi della Sala del Consiglio Comunale (oggi denominata Sala delle Sette Virtù). Per la sopraggiunta morte di Dario Chini, l'incarico passò a Galileo che terminò i lavori entro il novembre del 1898. Nel luglio del 1898, mentre stava lavorando nel Municipio di San Miniato, Galileo fu chiamato a visionare alcune pitture rinvenute circa venti anni prima all'interno della chiesa di San Domenico. Compiendo ulteriori saggi nelle cappelle laterali, scoprì le pitture tre-quattrocentesche della Cappella Rimbotti, che fu incaricato di restaurare. Il lavoro nella chiesa domenicana si protrasse fino al 1900, dove nel frattempo gli fu affidato anche il restauro della Cappella del Rosaio e della Cappella Roffia-Del Campana.
Nel 1899 sposò Elvira. La primogenita, Isotta, nacque nel 1900 e un secondo figlio, Eros, nel 1901.
Con i lavori in ceramica venne premiato alle esposizioni internazionali di Bruxelles, San Pietroburgo e St. Louis ma nel 1904 abbandonò la vecchia manifattura "Arte della ceramica" per divergenze con la direzione. Due anni dopo, insieme al cugino Chino fonda nel Mugello la "Fornaci di San Lorenzo" che realizzava ceramiche e vetrate ma anche arredamenti d'interni e progettazione di mobili in legno decorati da piastrelle, ceramiche e vetri.
Continuò a esporre in molteplici occasioni, sia in Italia che all'estero. Fino al 1905 si impegnò in una serie di decorazioni e restauri nella chiesa di Santa Maria Maggiore a Firenze, oltre che in una serie di affreschi presso l'Hotel Cavour (nella stessa Firenze) e presso il Grand Hotel La Pace a Montecatini.
A Milano nel Palazzo Pathé sono ben conservati i suoi mosaici.
Nel 1907 espose alla Biennale di Venezia. Dal 1908 al 1911 mantenne la cattedra del Corso di Decorazione alla Regia Accademia di Belle Arti di Roma. Nello stesso periodo iniziò le prime collaborazioni come scenografo teatrale.

Fra il 1907 e il 1909 è nuovamente a San Miniato, dove gli è affidato l'incarico di decorare la volta della Sala del Biliardo all'interno del Circolo Ricreativo annesso al teatro cittadino.
Nel 1910 il Re del Siam, Rama V, dopo aver ammirato i suoi lavori alla Biennale di Venezia lo invitò a lavorare a corte, a Bangkok. Nell'aprile 1911, Galileo Chini si imbarcò a Genova, sul piroscafo NDL Derfflinger diretto in estremo oriente. A Rama V, morto nel frattempo, successe il figlio, il coltissimo Rama VI, che accolse il pittore a Bangkok. Chini affrescò la sala del trono nel palazzo reale e realizzò una serie di ritratti ufficiali per la famiglia reale e i dignitari di corte. Rientrò dalla Thailandia nel 1913 riportando in Italia una serie di opere paesaggistiche e d'ambiente, che espose nel 1914 alla Mostra della Secessione Romana. Riportò anche una collezione di cimeli orientali che nel 1950 donò al Museo etnografico dell'Università di Firenze.
Nel 1915 insegnò al Corso di Ornato della Regia Accademia di Belle Arti di Firenze. Negli anni successivi affrescò il Palazzo Comunale di Montecatini Terme e la Camera di Commercio di Firenze. Intensificò intanto l'attività di scenografo, arrivando alle prime collaborazioni con Giacomo Puccini per il Gianni Schicchi.
Nel 1921 espose alla Prima Biennale Romana e nel 1924 ancora alla Biennale di Venezia. Tornò a lavorare con Puccini per la Turandot.
Nel 1920 - 1923 a Salsomaggiore Terme completò la decorazione delle Terme Berzieri e, più tardi 1926 nel Grand Hôtel des Thèrmes, curò l'allestimento del salone moresco, della sala delle cariatidi e della taverna rossa; nella cittadina decorò pure alcuni ambienti della villa Fonio (poi Bacciocchi), dell'Hotel Porro (coperti in seguito in occasione di un rammodernamento), dell'Hotel Valentini (in parte coperti) e di un locale notturno a Poggio Diana.
Nel 1925 abbandona l'incarico di direttore artistico presso la manifattura ceramica Fornaci San Lorenzo, ruolo che sarà ricoperto dal 1925 al 1943 da Tito Chini, il figlio del cugino Chino, con quale Galileo, dopo l'esperienza con l'Arte della Ceramica, aveva dato avvio alla manifattura borghigiana.
Nel 1925-1926 curò le decorazioni per il Grand Hotel des Thèrmes a Montecatini e per gli ambienti della motonave Augustus.
Nel 1927 ottenne la cattedra di Decorazione pittorica alla Reale scuola di Architettura a Firenze e nel 1928 affrescò la sede milanese della Società elettrica Montecatini. Nel 1930 tornò alla Biennale di Venezia e, per tutto il decennio, si dedicò prevalentemente ad esporre le sue opere in mostre personali, in Italia e all'estero. Nel 1938 lasciò quindi l'insegnamento per raggiunti limiti di età.
Proseguì nell'organizzazione di mostre personali (Bologna, Parigi, Roma, Düsseldorf, ecc.) fino al 1942 quando venne incaricato della decorazione del grande salone interno del Palazzo della Camera del Lavoro di Bologna. Nel 1945 donò al Comune di Firenze una serie di dipinti che rappresentano vedute di zone della città distrutte nel corso della guerra.
Nel 1946 morì la figlia Isotta e, negli anni successivi, la sua attività si andò progressivamente riducendo a causa di seri disturbi alla vista che lo condussero alla cecità.
Nel 1951 espose all'Esposizione Internazionale d'Arte Sacra a Roma, e l'anno successivo Firenze gli dedicò una retrospettiva. Espose ancora a Roma, per la Mostra d'Arte contemporanea, nel 1954 e a Bogotà, in Colombia, nel 1956. Galileo Chini morì il 23 agosto dello stesso anno nella sua casa-studio in via del Ghirlandaio, a Firenze. È sepolto nel cimitero monumentale dell'Antella.