Pesawat ruang angkasa Cassini adalah wahana pertama yang dirancang khusus untuk menjelajahi Saturnus, dan yang pertama memasuki orbit di sekitar planet raksasa itu. Pesawat itu membawa wahana pendaratan, Huygens, yang dirancang untuk mendarat dan menyelidiki bulan terbesar Saturnus, Titan. Cassini membawa dua belas instrumen ilmiah, serta antena bandwidth tinggi untuk berkomunikasi dengan Bumi, dan sumber daya generator termal radioisotop (RTG).
Cassini diluncurkan dari Cape Canaveral pada 15 Oktober 1997, dengan kendaraan peluncuran Titan IV/Centaur. Cassini adalah probe antarplanet terbesar kedua yang pernah diluncurkan, dan lintasan energi tinggi ke Saturnus membutuhkan serangkaian dorongan gravitasi untuk mendorong pesawat ruang angkasa tanpa mengkonsumsi terlalu banyak bahan bakar. Pengorbit membuat dua flybys dari planet Venus, satu oleh Bumi, dan satu oleh planet raksasa Jupiter sebelum masuk ke orbit Saturnus pada 1 Juli 2004.
Begitu berada di orbit di sekitar Saturnus, Cassini bermanuver menggunakan dorongan roket dan terbang melintasi bulan-bulan Saturnus, terutama Titan. Pada 25 Desember 2004, Cassini merilis wahana Huygens, yang kemudian memasuki atmosfer bulan dan mendarat di permukaannya. Sejak itu, Cassini melanjutkan penyelidikannya terhadap Saturnus dan sistem bulan dan cincinnya yang luas, dan telah melakukan lebih banyak pengamatan terhadap Titan dan bulan-bulan lain seperti Enceladus. Empat bulan baru, terlalu kecil untuk diamati dari Bumi, telah ditemukan oleh Cassini.
Cassini membawa dua belas instrumen ilmiah yang berbeda, termasuk kamera visual beresolusi tinggi, yang telah mengembalikan ribuan gambar Saturnus dan sekitarnya ke Bumi. Kamera inframerahnya mampu mengukur suhu objek, dan digunakan untuk melihat menembus kabut global Titan untuk memetakan permukaan. Instrumen radar di kapal digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan danau cair di Titan, dan dengan melewatkan gelombang radio melalui cincin Saturnus, para ilmuwan dapat menentukan struktur sistem cincin. Cassini juga memiliki beberapa detektor untuk mengukur kekuatan medan magnet; defleksi di medan magnet lokal Enceladus digunakan untuk mengkonfirmasi bahwa bulan memiliki atmosfer, terutama terdiri dari uap air.