Le « puits » zénithal  est constitué d’ouvertures superposées à tous les niveaux du bâtiment Perrault, depuis les caves jusqu’à la terrasse supérieure : il mesure au total 55 mètres.

Dès 1669, Cassini a envisagé de se servir de ce puits comme d’une grande lunette verticale dont l’objectif aurait été fixé au niveau de la terrasse supérieure et l’oculaire sur un support au fond des caves. De grands manchons de toile cirée noire occultaient la lumière latérale à chaque étage. On espérait pouvoir ainsi déterminer la parallaxe - et donc la distance – des étoiles passant près du zénith.

L’agitation des images sur une aussi grande longueur n’a pas permis le succès de ce projet et l’instrument, peu commode, n’a guère été utilisé.

Il sert cependant pour des expériences de physique. Edmé Mariotte et Philippe de La Hire y étudient en 1683 la chute des corps en utilisant des billes de plomb ; on y fait aussi des essais de résistance de tuyaux à la pression ou des étalonnages de baromètres à eau.