Vesoljsko plovilo Cassini je bilo prva sonda, zasnovana posebej za raziskovanje Saturna, in prva, ki je vstopila v orbito okoli velikanskega planeta. Nosil je pristajalno sondo Huygens, ki je bila zasnovana za pristanek in raziskovanje največje Saturnove lune Titan. Cassini nosi dvanajst znanstvenih instrumentov, pa tudi anteno z visoko pasovno širino za komunikacijo z Zemljo in vir energije za radioizotopni toplotni generator (RTG).
Cassini je bil izstreljen z Cape Canaveral 15. oktobra 1997 z nosilno raketo Titan IV/Centaur. Cassini je bila druga največja medplanetarna sonda, ki je bila kdaj izstreljena, in visokoenergetska pot do Saturna je zahtevala vrsto gravitacijskih spodbud, da je vesoljsko plovilo pognalo brez prevelike porabe goriva. Preden je 1. julija 2004 vstopil v Saturnovo orbito, je orbiter opravil dva preleta planeta Venere, enega mimo Zemlje in enega mimo velikanskega planeta Jupitra.
Ko je bil v orbiti okoli Saturna, je Cassini manevriral z uporabo raketnih dvigov in preletov Saturnovih lun, predvsem Titana. Cassini je 25. decembra 2004 izpustil sondo Huygens, ki je kasneje vstopila v lunino atmosfero in pristala na njeni površini. Od takrat je Cassini nadaljeval s svojimi raziskavami Saturna in njegovih obsežnih sistemov lun in obročev ter opravil veliko več opazovanj Titana in drugih lun, kot je Enceladus. Cassini je odkril štiri nove lune, premajhne, da bi jih lahko opazovali z Zemlje.
Cassini nosi dvanajst različnih znanstvenih instrumentov, vključno z vizualno kamero visoke ločljivosti, ki je na Zemljo vrnila na tisoče slik Saturna in njegove okolice. Njegova infrardeča kamera lahko meri temperaturo predmetov in je bila uporabljena za pregledovanje Titanove globalne meglice za preslikavo površine. Radarski instrumenti na krovu so bili uporabljeni za potrditev obstoja tekočih jezer na Titanu, s prepuščanjem radijskih valov skozi Saturnove prstane pa so lahko znanstveniki določili strukturo sistema obročev. Cassini ima tudi več detektorjev za merjenje jakosti magnetnega polja; odklon v lokalnem magnetnem polju Enceladusa je bil uporabljen za potrditev, da ima luna atmosfero, sestavljeno predvsem iz vodne pare.