Nato a Perinaldo, presso Imperia, studiò al collegio dei gesuiti di Genova. Nel 1648 si recò a Panzano, presso Bologna, su invito del marchese Cornelio Malvasia, il quale gli mise a disposizione i propri strumenti astronomici. A Bologna Cassini completò gli studi di astronomia coi gesuiti Giovanni Battista Riccioli (1598-1671) e Francesco Maria Grimaldi (1618-1663). Nel 1650 successe a Bonaventura Cavalieri (1598-1647) nella cattedra di matematiche all'Università di Bologna. Per studiare il moto annuo del Sole, ristrutturò nel 1653 lo gnomone della Cattedrale di San Petronio, costruito da Egnazio Danti (1536-1586) nel 1575. Fra il 1657 e il 1665 Cassini fu impegnato in varie questioni politico-amministrative per incarico dello Stato della Chiesa. Non interruppe però gli studi astronomici. Elaborò una prima legge sulla rifrazione astronomica, il fenomeno che modifica la posizione apparente di un astro prossimo all'orizzonte, e nel 1662 redasse nuove tavole sul moto annuo del Sole. A Roma conobbe gli ottici Eustachio Divini (1635-1685) e Giuseppe Campani (1635-1715). Quest'ultimo gli fornì grandi cannocchiali coi quali Cassini compì varie scoperte. Nel 1664 osservò le ombre dei quattro satelliti galileiani su Giove e determinò il periodo di rotazione del pianeta studiandone le bande e le macchie superficiali. Nel 1666 determinò anche il periodo di rotazione di Marte e nel 1667 tentò un'analoga impresa per Venere. Con le Ephemerides Bononienses Mediceorum syderum (Bologna, 1668) concretizzò il sogno di Galileo Galilei (1564-1642) di misurare la longitudine terrestre mediante le configurazioni dei satelliti di Giove. Nel 1669 fu nominato membro dell'Académie Royale des Sciences di Parigi e invitato da Jean-Baptiste Colbert (1619-1683) a dirigere l'Osservatorio di Parigi. Qui Cassini scoprì fra il 1671 e il 1684 quattro nuovi satelliti di Saturno. Nel 1675 asserì che l'anello di Saturno, concepito come un corpo unico da Christiaan Huygens (1629-1695), era in realtà composto da piccole particelle. Scoprì inoltre la grande divisione che separava l'anello in due parti. Nel 1679 presentò all'Académie Royale des Sciences una grande e dettagliata mappa lunare.