Il est le second fils de Jacques Cassini et de Suzanne Françoise Charpentier de Charmois. Élevé par son grand-oncle Jacques-Philippe Maraldi, il montre très tôt des dons pour l'astronomie. Sa carrière scientifique s'engage au moment du débat des cartésiens contre les newtoniens, concernant la forme de la Terre. Il entre à l'Académie des sciences comme adjoint astronome surnuméraire en 1735, adjoint astronome en 1741, puis pensionnaire astronome en 1745.

Il épouse en 1747 Charlotte Drouin de Vandeuil, dont il a deux enfants, Jean-Dominique (Cassini IV), qui lui succèdera à l'Observatoire, et Françoise Elisabeth. Il est par ailleurs maître ordinaire à la Chambre des comptes et conseiller du roi, membre étranger de la Royal Society et de l'Académie de Berlin.

Comme tous les Cassini, il habite le même appartement du premier étage de l'Observatoire de Paris et obtient que ce droit devienne héréditaire.

Ses travaux astronomiques ne sont pas restés dans l'histoire des sciences. Cassini III fut avant tout un cartographe de grand talent. Sa carte de France est un des classiques du genre. Il corrigea la méridienne qui passe par l'Observatoire et fut chargé de la description géométrique de la France. Le fruit de ses travaux fut cette belle carte de la France, composée de 180 feuilles, qui fut publiée au nom de l'Académie des sciences de 1744 à 1793, et qui offrait la représentation la plus fidèle du pays, sur une échelle d'une ligne pour 100 toises. César Cassini n'ayant pu achever cette vaste entreprise, son fils Jean-Dominique Cassini fut chargé de la terminer. Iconographie