Svemirska sonda Cassini bila je prva sonda dizajnirana posebno za istraživanje Saturna i prva koja je ušla u orbitu oko divovskog planeta. Nosio je sondu za slijetanje Huygens, koja je bila dizajnirana da sleti i istraži najveći Saturnov mjesec Titan. Cassini nosi dvanaest znanstvenih instrumenata, kao i antenu velikog propusnog opsega za komunikaciju sa Zemljom i izvor energije radioizotopskog termalnog generatora (RTG).
Cassini je lansiran s rta Canaveral 15. listopada 1997. na raketi Titan IV/Centaur. Cassini je bila druga najveća međuplanetarna sonda ikad lansirana, a visokoenergetska putanja do Saturna zahtijevala je niz gravitacijskih pojačanja kako bi se letjelica pokrenula bez potrošnje previše goriva. Orbiter je napravio dva preleta planete Venere, jedan oko Zemlje, a drugi kraj divovskog planeta Jupitera prije nego što je ušao u Saturnovu orbitu 1. srpnja 2004. godine.
Nakon što je bio u orbiti oko Saturna, Cassini je manevrirao koristeći raketne pojačivače i prelijetanje Saturnovih mjeseca, ponajprije Titana. Cassini je 25. prosinca 2004. pustio sondu Huygens, koja je kasnije ušla u atmosferu Mjeseca i sletjela na njegovu površinu. Od tada, Cassini je nastavio svoja istraživanja Saturna i njegovih opsežnih sustava Mjeseca i prstenova, te je napravio mnogo više promatranja Titana i drugih mjeseci kao što je Enceladus. Cassini je otkrio četiri mlada mjeseca, premala da bi se promatrali sa Zemlje.
Cassini nosi dvanaest različitih znanstvenih instrumenata, uključujući vizualnu kameru visoke rezolucije, koja je vratila tisuće slika Saturna i njegove okoline na Zemlju. Njegova infracrvena kamera je sposobna mjeriti temperaturu objekata, a korištena je da vidi kroz Titanovu globalnu izmaglicu za mapiranje površine. Radarski instrumenti na brodu korišteni su za potvrdu postojanja tekućih jezera na Titanu, a propuštanjem radio valova kroz Saturnove prstenove znanstvenici su mogli odrediti strukturu sustava prstenova. Cassini također ima nekoliko detektora za mjerenje jakosti magnetskog polja; otklon u lokalnom magnetskom polju Encelada korišten je kako bi se potvrdilo da mjesec ima atmosferu, koja se prvenstveno sastoji od vodene pare.