ponad cztery razy dalej niż punkt jej orbity położony najbliżej nas, kiedy znajduje się między Ziemią a Słońcem. Galileusz odkrył, że Wenus rzeczywiście zmienia wielkość, zmieniając położenie – jest najmniejsza, kiedy pokazuje swe pełne oblicze, a największa, kiedy przybiera kształt sierpa.
Odkrycie faz Wenus miało zasadnicze znaczenie. Pokazywało wyraźnie, że planeta obiega Słońce po orbicie leżącej wewnątrz orbity Ziemi. Zgodnie z obserwacjami Galileusza, kiedy Wenus znajduje się po drugiej stronie Słońca, jest zwrócona „twarzą” bezpośrednio i do Słońca, i do Ziemi. Ta strona jest całkowicie oświetlona, jak Księżyc w pełni, a sama planeta jest mała, ponieważ w tym położeniu dzieli ją od nas największa odległość. Natomiast kiedy Wenus przemieszcza się między Ziemią a Słońcem, jej oświetlona strona zwrócona jest do Słońca, a nieoświetlony tył do Ziemi, i dlatego pokazuje się nam jako duży, wąski sierp. Dokładnie to samo sugerował Kopernik. Galileusz udowodnił słuszność przedstawionego przez Kopernika modelu Układu Słonecznego. To, co zobaczył, nie zgadzało się z wcześniej przyjętym modelem naszego układu, tak zwanym modelem geocentrycznym. Zgodnie z nim Wenus krążyła wokół Ziemi po kolistej orbicie poniżej Słońca. Gdyby tak było, miałaby przez cały czas tę samą wielkość.
Galileusz wiedział, że jego odkrycie zostanie przez pewnych ludzi zakwestionowane. Pierwszego stycznia 1611 roku ogłosił rozwiązanie wenusjańskiego anagramu, wyjaśniając, że fazy oznaczają, iż planeta musi krążyć wokół Słońca:
…coś, w co naprawdę wierzyli pitagorejczycy, Kopernik, Kepler i ja sam, ale co nie było udowodnione, tak jak to jest teraz. Tak więc Kepler i inni zwolennicy Kopernika mogą się chlubić swoimi trafnymi teoriami, chociaż w rezultacie zostaniemy uznani za głupców przez większość książkowych filozofów, którzy będą nas uważali za pozbawionych rozsądku ludzi o małym rozumie.
Niestety, Galileusz poprawnie przewidział kontrowersje, jakie jego przemyślenia wzbudzą wśród jemu współczesnych. Został wezwany przez Inkwizycję, osądzony i uznany za heretyka za nauczanie pozostające w sprzeczności z Pismem Świętym. Nakazano mu wyprzeć się swoich poglądów, zabroniono w jakikolwiek sposób informować o swych astronomicznych odkryciach i skazano na dożywotni areszt domowy. Galileusz zmarł w 1642 roku. Niemniej miał rację, a Wenus zachowała swe znaczące miejsce w historii nauki.
Fazy Wenus nie są zjawiskiem tkwiącym w naturze planety; są konsekwencją jej orbity i położenia względem Słońca i naszej Ziemi. Co więc leży w naturze samej Wenus? Z powodu zwartej, grubej pokrywy chmur niewiele wiedziano na ten temat przed wiekiem dwudziestym. Astronomowie mogli więc puszczać wodze fantazji i wyobrażać sobie, jak może wyglądać powierzchnia planety ukryta pod chmurami. Wenus jest mniej więcej takiej samej wielkości jak Ziemia i uznawano ją za planetę bliźniaczą, siostrę Ziemi. Zdecydowanie ma ona atmosferę. Odległość Wenus od Słońca stanowi 75 procent odległości Ziemi od naszej gwiazdy centralnej, a skoro planeta jest położona bliżej Słońca niż Ziemia, musi być cieplejsza i przy założeniu, że chmury powstały z kropel wody, tak jak chmury ziemskie, klimat powinien być wilgotny. Na przestrzeni dziejów wielu astronomów uważało za prawdopodobne, że na Wenus, bardziej niż na innych planetach Układu Słonecznego, może istnieć życie. Wszystko sugerowało, że klimat Wenus jest podobny do klimatu panującego w gorących regionach Ziemi i że Wenusjanie są podobni do mieszkańców tychże regionów. Książka z 1686 roku pod tytułem Rozmowy o wielości światów autorstwa francuskiego pisarza Bernarda de Fontenelle’a, przetłumaczona na język angielski w 1700 roku przez Aphrę Behn, jedną z pierwszych angielskich pisarek i dramatopisarek, przeniosła protekcjonalne, rasistowskie stereotypy przyjęte w tamtych czasach na przemyślenia dotyczące potencjalnych mieszkańców Wenus:
Klimat, jako że [Wenus] jest bliżej Słońca niż my, przyjmuje z racji jego oddziaływania jaśniejsze światło i więcej ożywczego ciepła… Mieszkańcy Wenus to… mali, opaleni dżentelmeni, zawsze zakochani, pełni życia i ognia, mający skłonność do pisania wierszy, wielcy miłośnicy muzyki, codziennie wymyślający jakieś uczty, bale i maskarady, aby zabawiać swoje panie.
Obraz ziemiopodobnej Wenus okazał się daleki od prawdy. W rzeczywistości pod czystymi, białymi chmurami kryje się mroczna tajemnica: brzydka twarz i piekielne usposobienie, które sprawiają, że trudno sobie wyobrazić – wydaje się to wręcz niemożliwe – żeby mogło tam istnieć jakiekolwiek życie. Powierzchnię Wenus pokrywają wyjałowione, spękane, czarne skały wulkaniczne, poprzecinane rzekami zastygłej lawy, która wypłynęła z niezliczonych wulkanów. Atmosfera jest bardzo gęsta; ciśnienie atmosferyczne na powierzchni jest dziewięćdziesiąt razy większe niż na Ziemi; odpowiada ciśnieniu w ziemskich oceanach na głębokości około kilometra. Jest to maksymalna głębokość, na jakiej zwykle działają nasze łodzie podwodne, chociaż specjalnie skonstruowane łodzie badawcze oraz ratunkowe mogą schodzić niżej. Atmosfera składa się głównie z dwutlenku węgla, są w niej też niewielka ilość azotu oraz śladowe ilości kwasu siarkowego, chlorowodoru i fluorowodoru. Kwasy te spadają na powierzchnię w postaci kwaśnych deszczów, co gwarantuje szybką śmierć wszelkiego rodzaju maszynom, na przykład statkom kosmicznym, gdyby takowe wylądowały na powierzchni Wenus. Chmury są unoszącymi się w powietrzu kroplami, ale nie wody tak jak na Ziemi, lecz kwasu siarkowego. Skąpe światło słoneczne, które przenika przez grubą, siarkową atmosferę, zalewa powierzchnię Wenus złowrogą, żółtą poświatą.
Przed nastaniem ery kosmicznej znanych było niewiele szczegółów dotyczących tego, jak wygląda powierzchnia Wenus; astronomowie wiedzieli w ogólnych zarysach o składzie atmosfery, jej dużej gęstości i temperaturze, która życiu na Wenus wymierza cios dosłownie zabójczy. W 1956 roku pionier radioastronomii Cornell H. Mayer i jego koledzy z US Naval Research Laboratory zgromadzili obserwacje mikrofalowe Wenus – promieniowanie o większej długości fali docierało z głęboko położonych warstw atmosfery. Wiele wskazywało na to, że na powierzchni planety panuje bardzo wysoka temperatura, dużo wyższa niż na Ziemi, wystarczająco wysoka, aby stopić ołów.
Pierwszym gościem z kosmosu, który dotarł w pobliże Wenus, była amerykańska sonda Mariner 2. Przelotu obok planety dokonała w 1962 roku. Podczas prac przy nowej rakiecie, która miała wynieść sondę Mariner 2 na orbitę, wystąpiły problemy i musiano użyć rakiety zastępczej. Była mniejsza i miała mniejszą nośność. Konsekwencją tego była konieczność znaczącego zredukowania wyposażenia Mariner 2 w stosunku do planu pierwotnego. Niemniej misja zakończyła się sukcesem. Badania radiowe przeprowadzone sześć lat wcześniej sondowały atmosferę Wenus z daleka i nie były w pełni autorytatywne. Głównym osiągnięciem naukowym Mariner 2 było potwierdzenie, na podstawie obserwacji z bliskiej odległości, że temperatura na powierzchni Wenus jest bardzo wysoka, przekraczająca 400ºC.
W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych dwudziestego wieku wystrzelono kolejne sondy w ramach programu Mariner. Jednak najbardziej szczegółowych informacji o właściwościach powierzchni Wenus dostarczyła seria opuszczanych na spadochronach radzieckich lądowników, które zeszły poniżej chmur. W latach sześćdziesiątych amerykańska agencja NASA koncentrowała się na programie Apollo, którego celem było doprowadzenie do lądowania ludzi na Księżycu, zgodnie z wyzwaniem sformułowanym przez prezydenta Kennedy’ego w 1962 roku: „Zadecydowaliśmy, że polecimy na Księżyc”. Tymczasem Związek Radziecki uczynił swoimi podstawowymi celami w ramach badania kosmosu najbliższe planety, Wenus i Marsa. W 1967 roku radziecki statek kosmiczny z programu Wenera zaprojektowany przez pioniera radzieckiej inżynierii kosmicznej Siergieja Korolowa zapoczątkował naukową eksplorację Wenus. Pierwsze sondy z programu Wenera, podobnie jak Mariner 2, miały
