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적분학의 기초가 된 기하학을 발전시켰다. 소년시절 카발리에리는 성 아우구스티노 규율을 따르고 교황 클레멘스 9세에 의해 1668년에 억압받은 성모회에 가담했다.

에우클레이데스(유클리드)의 업적에 자극을 받아 수학에 관심을 갖게 되었고 갈릴레오를 만난 후 스스로를 그의 제자로 여겼다.

1629년 볼로냐대학교 수학교수가 되기까지 그는 극소량법(method of indivisible)을 완전히 발전시켰다. 극소량이란 기하도형의 크기를 결정짓는 요소로서 적분학에 적용되는 개념과 비슷하다. 갈릴레오가 그와 비슷한 연구를 계획한다는 것을 안 카발리에리는 경의를 표하는 마음으로 6년 동안 자신의 결과를 출판하는 것을 늦추었다.

1635년 그의 연구는 〈연속적인 극소량의 새로운 기하학 발전을 위한 방법 Geometria Indivisibilibus Continuorum Nova Quadam Ratione Promota〉이라는 제목으로 출판되었다. 이 책에서 언급된 것처럼 극소량법은 불만족스러웠고 특히 그당시 스위스의 수학자였던 P. 굴딘으로부터 심한 비평을 받았다. 이에 대한 답으로 카발리에리는 1647년 〈6개 기하학 문제들 Exercitationes Geometricae Sex〉을 썼는데 이 논문은 만족할 만한 원칙들을 담고 있으며 17세기 수학자들에 의해서 널리 사용되었다.

카발리에리는 그의 저서 〈천체측량의 일반규칙서 Directorium Generale Uranometricum〉(1632)를 통해 이탈리아에 로그 함수를 계산도구로 사용하는 것을 소개했다. 그외 다른 저서로는 〈볼록 렌즈 또는 원뿔곡선에 대한 논문 Lo specchio ustorio ouero trattato delle settioni coniche〉(1632)·〈평면, 구, 선형, 로그 삼각법 Trigonometria plana et sphaerica, linearis et logarithmica〉(1643) 등이 있다.