Cassini -avaruusalus oli ensimmäinen luotain, joka on suunniteltu erityisesti tutkimaan Saturnusta, ja ensimmäinen, joka tuli kiertoradalle jättiläisplaneetan ympärille. Siinä oli laskeutumissondi Huygens, joka oli suunniteltu laskeutumaan ja tutkimaan Saturnuksen suurinta kuuta Titania. Cassinissa on kaksitoista tieteellistä instrumenttia sekä laajakaistainen antenni kommunikointiin maan kanssa ja radioisotooppilämpögeneraattorin (RTG) virtalähde.
Cassini laukaistiin Cape Canaveralista 15. lokakuuta 1997 kantoraketilla Titan IV/Centaur. Cassini oli toiseksi suurin koskaan käynnistetty planeettojen välinen koetin, ja Saturnuksen suurienerginen liikerata vaati sarjan painovoiman lisäämistä avaruusaluksen kuljettamiseksi kuluttamatta liikaa polttoainetta. Kiertäjä teki kaksi lentopalloa Venus -planeetalta, yhden maan ja toisen jättiläinen planeetta Jupiter, ennen kuin he tulivat Saturnuksen kiertoradalle 1. heinäkuuta 2004.
Saturnuksen ympärillä kiertäneellä Cassini ohjasi Saturnuksen kuiden, erityisesti Titanin, rakettien tehostamisia ja lentoja. 25. joulukuuta 2004 Cassini julkaisi Huygens -koettimen, joka myöhemmin tuli kuun ilmakehään ja laskeutui sen pinnalle. Siitä lähtien Cassini on jatkanut Saturnuksen ja sen laajojen kuu- ja rengasjärjestelmien tutkimuksia ja tehnyt paljon muita havaintoja Titanista ja muista kuista, kuten Enceladuksesta. Cassini on löytänyt neljä uutta kuuta, jotka ovat liian pieniä havaittaviksi Maasta.
Cassinissa on kaksitoista erilaista tieteellistä instrumenttia, mukaan lukien korkean resoluution visuaalinen kamera, joka on palauttanut tuhansia kuvia Saturnuksesta ja sen ympäristöstä Maalle. Sen infrapunakamera pystyy mittaamaan esineiden lämpötilan, ja sitä käytettiin Titanin globaalin sameuden läpi pinnan kartoittamiseen. Aluksella olevia tutka -instrumentteja käytettiin vahvistamaan nestemäisten järvien olemassaolo Titanilla, ja johtamalla radioaaltoja Saturnuksen renkaiden läpi tutkijat pystyivät määrittämään rengasjärjestelmän rakenteen. Cassinilla on myös useita ilmaisimia magneettikentän voimakkuuden mittaamiseen; Enceladuksen paikallisen magneettikentän taipumista käytettiin vahvistamaan, että kuussa oli ilmakehä, joka koostui pääasiassa vesihöyrystä.