Rymdfarkosten Cassini var den första sonden som konstruerats specifikt för att utforska Saturnus, och den första som gick i omloppsbana runt den jättelika planeten. Den bar en landningssond, Huygens, som var designad för att landa på och undersöka Saturnus största måne Titan. Cassini bär tolv vetenskapliga instrument, såväl som en antenn med hög bandbredd för att kommunicera med jorden, och en strömkälla för radioisotop termisk generator (RTG).
Cassini lanserades från Cape Canaveral den 15 oktober 1997 på en Titan IV/Centaur bärraket. Cassini var den näst största interplanetära sonden som någonsin lanserats, och högenergibanan till Saturnus krävde en serie gravitationsförstärkningar för att driva fram rymdfarkosten utan att förbruka för mycket bränsle. Banan gjorde två förbiflygningar av planeten Venus, en av jorden och en av jätteplaneten Jupiter innan den gick in i Saturnus bana den 1 juli 2004.
Väl i omloppsbana runt Saturnus manövrerade Cassini med raketförstärkningar och förbiflygningar av Saturnus månar, framför allt Titan. Den 25 december 2004 släppte Cassini Huygens-sonden, som senare kom in i månens atmosfär och landade på dess yta. Sedan dess har Cassini fortsatt sina undersökningar av Saturnus och dess omfattande mån- och ringsystem, och har gjort många fler observationer av Titan och andra månar som Enceladus. Fyra nymånar, för små för att kunna observeras från jorden, har upptäckts av Cassini.
Cassini bär på tolv olika vetenskapliga instrument, inklusive en högupplöst visuell kamera, som har återfört tusentals bilder av Saturnus och dess omgivningar till jorden. Dess infraröda kamera kan mäta temperaturen på föremål och användes för att se igenom Titans globala dis för att kartlägga ytan. Radarinstrumenten ombord användes för att bekräfta förekomsten av flytande sjöar på Titan, och genom att föra radiovågorna genom Saturnus ringar kunde forskare fastställa ringsystemets struktur. Cassini har även flera detektorer för att mäta magnetfältets styrka; en avböjning i det lokala magnetfältet i Enceladus användes för att bekräfta att månen hade en atmosfär som huvudsakligen består av vattenånga.