Megvalósulásához 17 ország, köztük Magyarország tudósai járultak hozzá. A kitűzött tudományos cél a gyűrűk háromdimenziós szerkezetének és dinamikus viselkedésének, a holdak felszíni összetételének és geológiai múltjának meghatározása, a magnetoszféra viselkedésének és háromdimenziós szerkezetének mérése, a Szaturnusz légkörének vizsgálata volt.
A szonda Jean Dominique Cassini francia-olasz, a Titánra leszálló egység Christian Huygens holland csillagászról kapta a nevét. Előbbi fedezte fel a 17. században a legnagyobb rést a Szaturnusz gyűrűjében (Cassini-rés), valamint a Iapetus, Rhea, Dione és Tethys holdat. Utóbbi a Titán hold felfedezése mellett 1659-ben elsőként jött rá, hogy a Galilei által mellékbolygóknak hitt alakzatok valójában a bolygó gyűrűi.
Az 5712 kilogrammos űrszonda 366 kilogramm tömegű tudományos műszert, valamint a 320 kilogrammos Huygenst vitte magával. Céljához hétévi és 3,4 milliárd kilométernyi „kerülő úton”, úgynevezett hintamanőverekkel, a Vénusz, a Föld és a Jupiter gravitációs lendítését kihasználva jutott el. A szondapáros 2004. július 1-jén állt pályára a Szaturnusz körül, és megkezdte a Naprendszer második legnagyobb planétájának vizsgálatát. A 120 600 kilométeres átmérőjű égitestről (összehasonlításul a Föld átmérője 12 756 kilométer) fényképfelvételeket is készített. A program következő szakasza 2004. december 25-én kezdődött, amikor a Huygens levált az anyaszondáról, majd 2005. január 14-én sima leszállást végzett a Titán addig teljesen ismeretlen felszínén, ahol az átlaghőmérséklet mínusz 180 Celsius-fok. Az űrszonda a Titánon a földihez hasonló felszíni képződményeket talált: folyómedreket, erózió pusztításának nyomait, habár ott víz helyett metántartalmú csapadék esik, folyókat, tavakat és tengereket is létrehozva. Fontos felfedezés volt az élet lehetősége is a Szaturnusz rendszerében. A Huygens kiválóan teljesített, s az adatátviteli hiba ellenére annyi információt juttatott a Cassinin keresztül a Földre, hogy kielemzése a tudósok szerint három nemzedéknek is feladatot ad.
A rendkívüli jelentőségű tudományos adatok mellett arra is fény derült, hogy a Szaturnusz felett is kék az ég, noha földi teleszkópokkal figyelve mindig sárgának látszott. A Cassini a bolygó újabb holdjait fedezte fel, s eddig soha nem tapasztalt közelségben suhant el egy-egy hold mellett, az Enceladuson például folyékony vizet talált, amiből arra következtettek, hogy a felszín alatt nagy kiterjedésű vízóceán lehet. A Cassini küldetését eredetileg négy évre tervezték, de kiemelkedő értékű „tudományos szolgálatai” miatt kétszer is meghosszabbították. Ezután évekig viszonylag nagy távolságból, a gyűrűrendszeren kívülről végezte a megfigyeléseket, majd „közelképeket” készített a gyűrűkről. A küldetés utolsó szakasza 2016 decemberében kezdődött, amikor pályát változtatva „lebukott” a legbelső gyűrű, valamint a Szaturnusz légköre közötti igen keskeny résbe. (A Szaturnusz gyűrűi 6630 és 120 700 kilométer magasságban találhatók a bolygó egyenlítője fölött. Vastagságuk mintegy 10 méter, helyenként azonban 4 kilométeres magasságot elérő „hullámok” találhatók bennük.) A Cassini minden hetedik napon „bukott alá” az ismeretlen térségben, hogy megfigyelje a miniholdakat, mintát vegyen a gyűrűk részecskéiből és gázaiból, felmérje a Szaturnusz gravitációs terét, mágneses mezejét, és nagy felbontású képeket is készített.
A Cassini idén fogyott ki az üzemanyagból. Szeptember 15-én az óriásbolygó légterébe irányították, ahol oxigén hiányában nem elégett, hanem megolvadt, majd összezúzódott a hatalmas légköri nyomás hatására. Működése alatt az űrszonda összesen több mint 453 ezer képet küldött a Földre a Naprendszer második legnagyobb bolygójáról, annak gyűrűiről és holdjairól. Jelenleg a Szaturnusznak 62 holdja ismert, közülük egyelőre 53 kapott végleges elnevezést. A holdak számához a Cassini hét felfedezéssel járult hozzá, ezek mindegyike a gyűrűk közötti résekben kering.