巴黎科学院的第一批天文学院士之一皮卡尔是一位出色的天文观测家，是第一个将望远镜用于精确测量微小角度的人。这一重大的观测技术革新使天文学步入了一个新的发展阶段。他的另一工作是测定地球的周长。1800年前，埃拉托色尼曾经利用太阳光线在地球上不同地方所投射的不同角度算出了一个周长值，皮卡尔则用恒星取代太阳作为参照物，算出地球的周长为24876英里。这个数字与今天的通用值很接近。
正是皮卡尔提出了应该在科学院名下建立一个天文台。这一提议马上被批准。天文台的建筑于1667年动工，1672年建成。在修建过程中，皮卡尔同时在搜寻人才。他看中了当时因编制木星卫星运行表而闻名的意大利天文学家卡西尼，遂于1669年将卡西尼请到巴黎主持这里的工作。
卡西尼来到巴黎天文台后，发明了一种物镜与目镜相分离的无筒望远镜，并用它发现了土星的四颗新卫星。1675年，他进一步指出，惠更斯发现的土星光环实际上是双重的，两环之间有一道缝隙。卡西尼还猜想，光环可能由无数小颗粒组成。当时的绝大多数天文学家都主张光环是固体的，但后来事实表明卡西尼是正确的。1672年，他发现了火星的视差，这意味着可以算出火星的距离，而且可以进一步推算日地距离。卡西尼还想进一步观测恒星视差，但因大气折射的干扰没能成功。这使他仍然不相信哥白尼的日心学说。
卡西尼的儿子、孙子和曾孙都是巴黎天文台的天文学家，而且一直统治着法国的天文学界。这种近亲繁殖产生了一些不好的影响，法国天文学的衰落可能与此有关。
丹麦天文学家罗伊默在巴黎天文台工作期间，注意到木卫掩食的时间随地球的运动有所变化，这使他猜到光速可能是有限的。他注意到，正是因为地球与木星的距离发生了变化，木卫掩食通过光传播到地球上的时间也发生了变化。据此，罗伊默计算了光的传播速度为每秒227000公里。这个数值虽然偏小，但作为人类对光速的第一次测量和计算，已十分难能可贵。
