Nava Cassini a fost prima sondă concepută special pentru a explora Saturn și prima care a intrat pe orbită în jurul planetei gigantice. Acesta a purtat o sondă de aterizare, Huygens, care a fost concepută pentru a ateriza și a investiga cel mai mare satelit al lui Saturn, Titan. Cassini poartă douăsprezece instrumente științifice, precum și o antenă cu lățime de bandă mare pentru comunicarea cu Pământul și o sursă de energie generatoare de radioizotop termic (RTG).
Cassini a fost lansat de la Cape Canaveral pe 15 octombrie 1997, pe un vehicul de lansare Titan IV/Centaur. Cassini a fost a doua cea mai mare sondă interplanetară lansată vreodată, iar traiectoria de înaltă energie către Saturn a necesitat o serie de impulsuri gravitaționale pentru a propulsa nava spațială fără a consuma prea mult combustibil. Orbiterul a făcut două zboruri ale planetei Venus, unul pe Pământ și unul pe planeta gigantică Jupiter, înainte de a intra pe orbita lui Saturn la 1 iulie 2004.
Odată pe orbită în jurul lui Saturn, Cassini a manevrat folosind rachete și survolări ale lunilor lui Saturn, în special ale Titanului. Pe 25 decembrie 2004, Cassini a lansat sonda Huygens, care mai târziu a intrat în atmosfera lunii și a aterizat la suprafața acesteia. De atunci, Cassini și-a continuat investigațiile asupra lui Saturn și a extinsei sale sisteme lunare și inelare și a făcut mult mai multe observații asupra Titanului și a altor luni, cum ar fi Enceladus. Patru luni noi, prea mici pentru a fi observate de pe Pământ, au fost descoperite de Cassini.
Cassini poartă douăsprezece instrumente științifice diferite, inclusiv o cameră vizuală de înaltă rezoluție, care a returnat pe Pământ mii de imagini cu Saturn și împrejurimile sale. Camera sa în infraroșu este capabilă să măsoare temperatura obiectelor și a fost folosită pentru a vedea prin ceața globală a lui Titan pentru a cartografi suprafața. Instrumentele radar de la bord au fost folosite pentru a confirma existența lacurilor lichide pe Titan, iar prin trecerea undelor radio prin inelele lui Saturn, oamenii de știință au putut determina structura sistemului de inele. Cassini are, de asemenea, mai multe detectoare pentru a măsura intensitatea câmpului magnetic; o deviere a câmpului magnetic local al lui Enceladus a fost folosită pentru a confirma că luna avea o atmosferă, formată în principal din vapori de apă.