Né à Perinaldo dans le comté de Nice. Sa famille était installé près de Clermont* (Oise) dans le château de Thury-sous-Clermont. De 1648 à 1669, il travaille à l’Observatoire de Panzano et enseigne la géométrie euclidienne et l’astronomie de à l’Université de Bologne, où il remplace en 1650 Bonaventura Cavalieri. Il obtient bientôt une telle réputation que le sénat de Bologne et le pape le chargent de plusieurs missions scientifiques et politiques.
Attiré en France par Colbert en 1669, il s’y fait naturaliser et il est reçu membre de l’Académie des sciences fondée 2 ans plus tôt. Il dirige, à la demande de Louis XIV, l’Observatoire de Paris à partir de 1671.
Il participe à la découverte de la variation d’intensité de la pesanteur en fonction de la latitude au cours d’un voyage à Cayenne. Il découvre la grande tache rouge de Jupiter en 1665, et détermine la même année la vitesse de rotation de Jupiter, Mars et Vénus. Il découvre également quatre satellites de Saturne, Japet en 1671, Rhéa en 1672, Téthys et Dioné en 1684, ainsi que la division de Cassini des anneaux de Saturne en 1675. En 1673, il fait la première mesure précise de la distance de la Terre au Soleil, grâce à la mesure de la parallaxe de Mars déduite des observations de Jean Richer à Cayenne.
En 1683, il détermine la parallaxe du Soleil. Vers 1690, il est le premier à observer la rotation différentielle dans l’atmosphère de Jupiter. Devenu aveugle en 1710, il meurt 2 ans plus tard à Paris, le 14 septembre 1712. Il publie de 1668 à 1693 les Éphémérides des satellites de Jupiter et rédige un grand nombre de mémoires, dont une partie a été réunie sous le titre d’ Opera astronomico en 1666.
Il épousa Geneviève Delaistre, fille du lieutenant général de Clermont en Beauvaisis, et acheta la terre de Thury dans l’Oise. En 1701, il fait construire une résidence d’été au hameau de Fillerval à Thury-sous-Clermont.