Kezdetben főként a Napot tanulmányozta, de később, ahogy erősebb távcsövekhez jutott, érdeklődése a bolygók felé fordult. Megfigyelte a Jupiter holdjainak árnyékát, ahogy a holdak a bolygó és a Nap között elhaladtak, és így meg tudta mérni a Jupiter forgási periódusát. 1666-ban - miután hasonló módon megfigyelte a Marsot - a Mars forgási periódusának a hosszára 24 óra 40 percet kapott; ma ezt az értéket 24 óra 37 perc 22,6 másodpercben adják meg. Két évvel később befejezte a Jupiter holdjainak helyzetét megadó táblázatait, ezeket használta fel 1675-ben Ole Rømer dán csillagász annak kimutatására, hogy a fénysebesség véges. Több tanulmányt írt az árvízvédelemről, és sok alkalmazott hidraulikai kísérletet is végzett.
XIV. Lajos francia király Cassini felfedezéseiről, munkájáról értesülve 1669-ben Párizsba hívta, hogy csatlakozzék az akkoriban alakult Académie Royale des Sciences-hez (Királyi Tudományos Akadémia). 1671-ben elkészült az Observatoire de Paris (Párizsi Csillagvizsgáló), és Cassini lett az igazgatója.
Folytatva Itáliában megkezdett kutatásait, felfedezte a Szaturnusz körül keringő Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684) és Dione (1684) holdakat. 1671 és 1679 között végzett Hold-észlelései alapján részletes térképet állított össze, s ezt bemutatta az Académie-n.
1675-ben felfedezte a Cassini-térközt; úgy tartotta, hogy a Szaturnusz gyűrűi apró holdacskák tömegéből állnak, s ezek túl kicsik ahhoz, hogy egyenként láthatók legyenek. Felfogása később beigazolódott. Az állatövi fény alapos tanulmányozása után 1683-ban arra következtetett, hogy mások véleményétől eltérően az nem meteorológiai jelenség, hanem kozmikus eredetű.
Cassini 1683-ban kezdte meg a Párizson átvezető délkör ívének a mérését. Az eredményekből megállapította, hogy a Föld valamennyire megnyúlt alakú (valójában kissé lapult a sarkoknál). Bizonyos határok közt elfogadta Kopernikusz naprendszer-elméletét, de - ragaszkodva a hagyományokhoz - elutasította Johannes Kepler elméletét, miszerint a bolygók ellipszispályákon mozognak.
Cassini a bolygópályákat meghatározott
görbületű oválisoknak tartotta, ezek a Cassini-féle
görbék vagy oválisok. Ellenállt az új
elméleteknek és elgondolásoknak - ennek ellenére
felfedezései, megfigyelései jóvoltából
a XVII-XVIII század legjelentősebb csillagászai közé
tartozik.