La sonde Cassini a été la première sonde conçue spécifiquement pour explorer Saturne et la première à entrer en orbite autour de la planète géante. Il transportait une sonde d’alunissage, Huygens, conçue pour atterrir et enquêter sur la plus grande lune de Saturne, Titan. Cassini transporte douze instruments scientifiques, ainsi qu’une antenne à large bande passante pour communiquer avec la Terre, et une source d’alimentation de générateur thermique à radio-isotopes (RTG).
Cassini a été lancé de Cap Canaveral le 15 octobre 1997, sur un lanceur Titan IV/Centaur. Cassini était la deuxième plus grande sonde interplanétaire jamais lancée, et la trajectoire à haute énergie vers Saturne a nécessité une série d’impulsions gravitationnelles pour propulser le vaisseau spatial sans consommer trop de carburant. L’orbiteur a effectué deux survols de la planète Vénus, un par la Terre et un par la planète géante Jupiter avant d’entrer dans l’orbite de Saturne le 1er juillet 2004.
Une fois en orbite autour de Saturne, Cassini a manœuvré en utilisant des poussées de fusée et des survols des lunes de Saturne, notamment Titan. Le 25 décembre 2004, Cassini a sorti la sonde Huygens, qui est ensuite entrée dans l’atmosphère de la Lune et a atterri à sa surface. Depuis lors, Cassini a poursuivi ses investigations sur Saturne et ses vastes systèmes de lune et d’anneaux, et a fait de nombreuses autres observations de Titan et d’autres lunes telles qu’Encelade. Quatre nouvelles lunes, trop petites pour être observées depuis la Terre, ont été découvertes par Cassini.
Cassini transporte douze instruments scientifiques différents, dont une caméra visuelle haute résolution, qui a renvoyé des milliers d’images de Saturne et de ses environs sur Terre. Sa caméra infrarouge est capable de mesurer la température des objets et a été utilisée pour voir à travers la brume globale de Titan afin de cartographier la surface. Les instruments radar à bord ont été utilisés pour confirmer l’existence de lacs liquides sur Titan, et en faisant passer les ondes radio à travers les anneaux de Saturne, les scientifiques ont pu déterminer la structure du système d’anneaux. Cassini dispose également de plusieurs détecteurs pour mesurer l’intensité du champ magnétique ; une déviation du champ magnétique local d’Encelade a été utilisée pour confirmer que la lune avait une atmosphère, composée principalement de vapeur d’eau.