En 1665 descubrió el movimiento de rotación de Júpiter alrededor de su propio eje y midió su duración, haciendo lo mismo en 1666 con el de Marte. Calculó los períodos rotacionales de Júpiter, Marte y Venus, y en 1668 elaboró las tablas de los movimientos de los cuatro satélites de Júpiter descubiertos por Galileo (Olaf Roemer utilizó los resultados para calcular la velocidad de la luz).
En 1669 fue nombrado director del Observatorio Astronómico de París invitado por el ministro francés Colbert. Aquí descubrió, entre 1671 y 1674, cuatro satélites de Saturno hasta entonces desconocidos, bautizados por él como "Ludovici" en honor del "Rey Sol". En 1675 Giovanni Cassini observó una discontinuidad (detectada 10 años antes por William Balle) que ahora se la conoce como División de Cassini.
Observó durante varios años, junto con su discípulo Fatio, la luz zodiacal y por primera vez, en 1683, puso de relieve su naturaleza extraterrestre y no meteorológica. Halló que el eje de rotación de la tierra no estaba situado perpendicularmente a la eclíptica, como se había creído hasta entonces, y que sus posiciones sucesivas en el espacio no eran paralelas entre sí; añadió al satélite de Saturno descubierto por Huygens cuatro más, y presentó a la Academia sus investigaciones sobre el calendario indio.
Observó durante varios años, junto con su discípulo Fatio, la luz zodiacal y por primera vez, en 1683, puso de relieve su naturaleza extraterrestre y no meteorológica. Halló que el eje de rotación de la tierra no estaba situado perpendicularmente a la eclíptica, como se había creído hasta entonces, y que sus posiciones sucesivas en el espacio no eran paralelas entre sí; añadió al satélite de Saturno descubierto por Huygens cuatro más, y presentó a la Academia sus investigaciones sobre el calendario indio.
Como director en París, le sucedieron una dinastía de Cassinis: su hijo Giacomo, llamado Cassini II, después de él su sobrino Cesare Francesco, Cassini III, y por último su sobrino-nieto Giacomo Domenico, Cassini IV. Sus obras se han publicado con el título de "Opera Astronómica".
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