Die Raumsonde Cassini war die erste Sonde, die speziell für die Erforschung des Saturn entwickelt wurde, und die erste, die in eine Umlaufbahn um den Riesenplaneten eintrat. Es trug eine Landesonde, Huygens, die darauf ausgelegt war, auf Saturns größtem Mond Titan zu landen und ihn zu untersuchen. Cassini trägt zwölf wissenschaftliche Instrumente sowie eine Antenne mit hoher Bandbreite für die Kommunikation mit der Erde und eine Stromquelle mit einem Radioisotopen-Thermogenerator (RTG).
Cassini wurde am 15. Oktober 1997 von Cape Canaveral mit einer Titan IV/Centaur-Trägerrakete gestartet. Cassini war die zweitgrößte interplanetare Sonde, die jemals gestartet wurde, und die hochenergetische Flugbahn zum Saturn erforderte eine Reihe von Gravitationsstößen, um das Raumschiff anzutreiben, ohne zu viel Treibstoff zu verbrauchen. Der Orbiter machte zwei Vorbeiflüge am Planeten Venus, einen an der Erde und einen am Riesenplaneten Jupiter, bevor er am 1. Juli 2004 in die Umlaufbahn des Saturn eintrat.
Einmal in der Umlaufbahn um Saturn, manövrierte Cassini mit Raketenboosts und Vorbeiflügen von Saturnmonden, insbesondere von Titan. Am 25. Dezember 2004 veröffentlichte Cassini die Sonde Huygens, die später in die Atmosphäre des Mondes eindrang und auf seiner Oberfläche landete. Seitdem hat Cassini seine Untersuchungen des Saturn und seiner ausgedehnten Mond- und Ringsysteme fortgesetzt und viele weitere Beobachtungen von Titan und anderen Monden wie Enceladus gemacht. Cassini hat vier Neumonde entdeckt, die zu klein sind, um von der Erde aus beobachtet zu werden.
Cassini trägt zwölf verschiedene wissenschaftliche Instrumente, darunter eine hochauflösende visuelle Kamera, die Tausende von Bildern von Saturn und seiner Umgebung auf die Erde zurückgebracht hat. Seine Infrarotkamera kann die Temperatur von Objekten messen und wurde verwendet, um durch Titans globalen Dunst zu sehen, um die Oberfläche zu kartieren. Die Radarinstrumente an Bord wurden verwendet, um die Existenz flüssiger Seen auf Titan zu bestätigen, und indem die Radiowellen durch die Ringe des Saturn geleitet wurden, konnten Wissenschaftler die Struktur des Ringsystems bestimmen. Cassini verfügt auch über mehrere Detektoren zur Messung der Magnetfeldstärke; eine Ablenkung im lokalen Magnetfeld von Enceladus wurde verwendet, um zu bestätigen, dass der Mond eine Atmosphäre hatte, die hauptsächlich aus Wasserdampf bestand.