La ligne méridienne est constituée de 32 règles de laiton accolées les unes aux autres. Chacune de ces règles mesure un peu moins d'un mètre - 993,77 mm très précisément. Cette longueur correspond à celle du pendule dont la demi-période d'oscillation à Paris vaut exactement une seconde. Cette mesure de la longueur du pendule battant la seconde avait été réalisée à Paris par l'astronome Jean Picard (1620-1682). Jean-Dominique Cassini voulut l'immortaliser dans la ligne méridienne en donnant à la hauteur du gnomon une valeur égale à dix fois la longueur du pendule de Picard.
La Ligne est divisée en deux séries de graduation. Celle tournée vers l'ouest, graduée en degrés, indique l'angle de hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon lorsqu'il se trouve parfaitement bissecté par la ligne, ce qui se produit à midi vrai. Celle tournée vers l'est donne la tangente de l'angle zénithal, multipliée par un facteur 1000, qui est l'angle entre la verticale et la direction du Soleil.
Des bandes de marbre blanc, bordant la ligne de laiton de part et d'autre, recueillent l'image du Soleil afin de la rendre plus lumineuse. La largeur totale de ces bandes est de 32,4 centimètres ; elle est calculée de sorte qu'elle soit pleinement occupée par l'image du Soleil au solstice d'hiver, dans sa dimension transversale maximale.
La ligne est également jalonnée de douze autres dalles de marbre blanc sur lesquelles ont été gravées les figures du zodiaque. Leur position le long de la ligne est déterminée selon les époques d'entrée du Soleil dans chacun de ces signes. Si l'auteur des sculptures est demeuré inconnu, il apparait cependant qu'il se soit grandement inspiré des représentations apparaissant dans l'ouvrage de Johannes Bayer (1572-1625), l'Uranometria, publié en 1603.
La ligne méridienne prend pleinement son appellation métonymique de Méridienne dès lors qu'on lui adjoint son gnomon. Jadis, c'était un simple orifice circulaire percé dans une plaque de métal fixée horizontalement au mur intérieur de la grande salle. De nos jours, c'est une lentille de 8,5cm de diamètre. On ne sait exactement de quand date la substitution, probablement dans le courant du XVIIIè siècle. Cette lentille a pour unique objectif de collecter davantage de lumière solaire qu'un petit trou ne pourrait le faire, ceci pour accroître la luminosité de l'image au sol. Cependant, en dehors de la zone de focalisation de la lentille, l'image apparait floue, défocalisée, aux contours incertains. Ce n'est qu'au début des mois de mai et août qu'il est possible d'admirer une image parfaitement nette du Soleil sur le sol de la méridienne. On peut même y déceler les taches solaires en période de forte activité solaire.
