Cassini est surtout connu pour ses travaux d'astronomie. Ses recherches ont porté sur des domaines très divers, allant de la rotation des planètes à la lumière zodiacale ou aux comètes. On lui doit tout particulièrement la découverte de la division de l'anneau de Saturne qui porte aujourd'hui son nom. Cassini est également l'auteur de travaux de géodésie et cartographie, menés dans le cadre de ses fonctions à l'Académie des sciences et à l'Observatoire.
