Родился в Перинальдо, в провинции Лигурия. Образование получил в иезуитском коллегиуме в Генуе и в аббатстве Сан-Фруктуозо. В 1644 —1650 годах работал в обсерватории близ Болоньи, где продолжил астрономическое образование. В 1650 —1669 годах — профессор астрономии в Болонском университете. В 1669 году он переселился во Францию, где в 1671 году стал директором Парижской обсерватории, созданной в 1667 году по указу Людовика XIV. Оставался на посту директора до конца жизни. Обсерватория имела в своём распоряжении мощный для того времени 150-кратный телескоп. В Париже он открыл четыре спутника Сатурна, которые в честь короля назвал «звёздами Людовика» (Sidera Lodoicea). В 1675 году обнаружил щель в кольцах Сатурна («щель Кассини»). Доказал осевое вращение Юпитера и Сатурна, отметив при этом неравномерное вращение атмосферы Юпитера на разных широтах.

В 1671 году наблюдал белое парящее облако над Луной. На протяжении 1671—1679 годов наблюдал детали лунной поверхности и в 1679 году составил большую карту Луны.

В 1672 году одновременно с Жаном Рише в Французской Гвиане Кассини в Париже проводил наблюдения Марса. По параллаксу Марса удалось впервые вычислить расстояние до этой планеты. Исходя из этих измерений, Кассини сумел с хорошей точностью определить расстояние от Земли до Солнца.

В 1683 году Кассини дал первое научное описание явления зодиакального света, предложив гипотезу, объясняющую его рассеянием солнечного света на линзообразном скоплении частиц пыли, лежащего в плоскости эклиптики; эта гипотеза является в настоящее время общепринятой.

Руководил экспедиционными работами по измерению дуги меридиана на территории Франции. На основании этих измерений пришел к неправильному заключению о форме Земли.

Очень часто придерживался устарелых физических концепций — был противником теории всемирного тяготения, его коперниканство было ограниченным, он предлагал заменить эллипсы Кеплера кривыми четвёртого порядка (овалами Кассини). Ошибочными были и его взгляды на природу комет.