Le travail de Cassini, tant dans le domaine de l'astronomie qu'auprès du Pape, lui assurent alors une renommée internationale. C'est ainsi que Colbert, cherchant des correspondants à l'étranger pour la nouvelle Académie Royale des Sciences, lui offre de devenir correspondant permanent, ce que Cassini accepte, puis lui demande de venir à Paris pour un temps limité l'assister dans la construction de l'observatoire de Paris. Le voyage est payé et le salaire élevé.
Le sénat de Bologne et le Pape acceptent alors de le laisser partir pour une durée maximale de deux ans. C'est ainsi que le 25 février 1669 Cassini part pour Paris, qu'il atteindra le 4 avril.
Quand Gian Domenico Cassini arrive à Paris, il pense n'y rester qu'un temps. Son français est hésitant, son caractère autoritaire et il n'essaie pas alors de s'adapter. Cependant, peu à peu les conditions de travail le séduisent. En septembre 1671, malgré les rappels du Pape, il s'installe à l'observatoire encore inachevé et commence ses observations avec les instruments fournis par Colbert, commandés comme ses instruments précédents chez le célèbre opticien de Rome Campani. Cassini demande alors sa naturalisation, qu'il obtient en avril 1673. Il devient alors Jean-Dominique Cassini et se marie avec Geneviève de Laistre l'année suivante.
Directeur de l'observatoire, Cassini va enchaîner pendant 40 ans les observations. Il découvre le deuxième satellite de Saturne, Japet, l'année de son installation à l'observatoire, puis Rhéa en 1672, suivis de Tethys et Dione 12 ans plus tard. En 1675, il découvre la division de Cassini dans les anneaux de saturne, connue désormais de tous les astronomes amateurs, ce qui donne une idée des performances des instruments de l'époque, Il est de plus l'un des premiers à trouver la bonne explication de la consistance des anneaux, qu'il imagine composés d'une multitude de petits satellites.
Une opposition de Mars a lieu en 1672. En coordination avec Richer, à Cayenne, Cassini peut ainsi mesurer la parallaxe solaire avec 10% d'erreur, ce qui permet enfin de connaître avec une bonne précision les distances dans le système solaire.
En 1679, il dessine une grande carte de la Lune qu'il présente à l'Académie des Sciences. Elle ne sera égalée qu'avec l'arrivée de la photographie.
En 1683, il étudie la lumière zodiacale, à laquelle il donne une explication cosmique et non météorologique comme on le croyait alors. Il obtient de plus de mesurer la "méridienne", la longueur de l'arc de cercle de Dunkerque à Perpignan, mesure nécessaire pour connaître la forme de la Terre, allongée aux pôles ou à l'équateur. La mort de Colbert, un an plus tard, coupera cependant les financements et ce travail sera stoppé.
Dix ans plus tard, en 1693, il découvre les lois de la libration de la Lune, à la suite de Kepler et Hévélius.
A partir de 1709, son fils, Jacques Cassini, prend graduellement les fonctions de directeur de l'observatoire jusque là tenues par son père, qui a alors 84 ans (il faut noter que ces fonctions de directeur ne seront officielles qu'en 1771, la direction auparavant étant théoriquement tenue par l'Académie des Sciences). La vue de Jean-Dominique Cassini se détériore en effet rapidement, et il devient aveugle l'année suivante.
Il meurt le 14 septembre 1712 à l'âge de 87 ans.