A Cassini–Huygens-misszió, amelyben az ESA, a NASA és az Olasz Űrügynökség is részt vett, számos elképzelésünket megváltoztatta a Szaturnusz-rendszerről. A missziót 1997 októberében indították Floridából, és közel hét évbe telt, mire elérte a Szaturnuszt, miközben közel 3,5 milliárd kilométert tett meg. Az 5,6 tonnás űreszköz két részből állt: a Cassini keringő űrhajóból és a Huygens szondából.
A Cassini az első űreszköz, amely a Szaturnusz körül kering. 12 kísérleti berendezést szállít. A 2004. július 1-jei szaturnuszi megérkezése óta a Cassini hatalmas mennyiségű új információt küld vissza a Szaturnuszról, annak gyűrűiről, holdjairól és mágneses mezőjéről.
A Cassini-Huygens-missziót eredetileg négy évre tervezték, de olyan sikeresnek bizonyult, hogy legalább 2017-ig meghosszabbították. A szonda elrepült a hét nagyobb hold mellett, köztük az óriási Titán mellett is – amely nagyobb, mint a Merkúr bolygó. A szonda több mint 70 alkalommal repült el a Titán mellett. A holdtól 880 km-es távolságon belül repülve tanulmányozta a Titán narancssárga felhőit és nitrogénben gazdag légkörét. Emellett képalkotó radarral térképezte fel a felszínét is.
2004. karácsony napján a Huygens levált a Cassini-ről. Három héttel később belecsapódott a Titán sűrű légkörébe, és ezzel az első szondává vált, amely (a mi Holdunkon kívül) egy bolygóhold felszínére ereszkedett le. A hőpajzs védelme alatt a szonda mindössze három perc alatt 18 000-ről 1 400 km/órára lassult. Röviddel ezután kinyílt egy nagy ejtőernyő. Körülbelül 160 km magasságban a szonda elkezdett fényképeket készíteni és tanulmányozni a légkört. Több mint két órán át érkeztek a Huygens-től származó adatok, amelyeket a felette elrepülő Cassini tárolt.
A hat műszer által visszaküldött képek és egyéb információk révén először kaptunk képet arról, hogy valójában milyen ez a narancssárga hold. A Huygens egy kis jégdarabokkal borított, kiszáradt folyómederre szállt le.
