La nave espacial Cassini fue la primera sonda diseñada específicamente para explorar Saturno y la primera en entrar en órbita alrededor del planeta gigante. Llevaba una sonda de aterrizaje, Huygens, que fue diseñada para aterrizar e investigar Titán, la luna más grande de Saturno. Cassini lleva doce instrumentos científicos, así como una antena de gran ancho de banda para comunicarse con la Tierra y una fuente de energía de generador térmico de radioisótopos (RTG).
Cassini fue lanzada desde Cabo Cañaveral el 15 de octubre de 1997, en un vehículo de lanzamiento Titan IV / Centaur. Cassini fue la segunda sonda interplanetaria más grande jamás lanzada, y la trayectoria de alta energía a Saturno requirió una serie de impulsos gravitacionales para propulsar la nave espacial sin consumir demasiado combustible. El orbitador hizo dos sobrevuelos del planeta Venus, uno por la Tierra y otro por el planeta gigante Júpiter antes de entrar en la órbita de Saturno el 1 de julio de 2004.
Una vez en órbita alrededor de Saturno, Cassini maniobró usando cohetes impulsores y sobrevuelos de las lunas de Saturno, sobre todo Titán. El 25 de diciembre de 2004, Cassini liberó la sonda Huygens, que luego entró en la atmósfera de la luna y aterrizó en su superficie. Desde entonces, Cassini ha continuado sus investigaciones de Saturno y sus extensos sistemas de anillos y luna, y ha realizado muchas más observaciones de Titán y otras lunas como Encelado. Cassini ha descubierto cuatro lunas nuevas, demasiado pequeñas para ser observadas desde la Tierra.
Cassini lleva doce instrumentos científicos diferentes, incluida una cámara visual de alta resolución, que ha devuelto miles de imágenes de Saturno y sus alrededores a la Tierra. Su cámara infrarroja es capaz de medir la temperatura de los objetos y se usó para ver a través de la neblina global de Titán para mapear la superficie. Los instrumentos de radar a bordo se utilizaron para confirmar la existencia de lagos líquidos en Titán y, al pasar las ondas de radio a través de los anillos de Saturno, los científicos pudieron determinar la estructura del sistema de anillos. Cassini también tiene varios detectores para medir la fuerza del campo magnético; Se utilizó una desviación en el campo magnético local de Encelado para confirmar que la luna tenía una atmósfera, compuesta principalmente de vapor de agua.