Porta el nom de l’astrònom Giovanni Domenico Cassini (1625-1712), descobridor de quatre dels grans satèl·lits de Saturn. El llançament tingué lloc des de Cap Canaveral el 5 d'octubre de 1997. La nau arribà a Saturn al final de l’any 2004 i començà a orbitar el planeta. La sonda Huygens que transportava se’n separà el 14 de gener de 2005 i aterrà sobre la superfície de Tità.
Al llarg dels següents tretze anys, la nau Cassini, a més d’estudiar també Tità, en els successius trajectes orbitals al voltant de Saturn envià una gran quantitat d’imatges, dades i anàlisis gràcies als quals el coneixement del planeta ha augmentat considerablement. Entre altres descobertes, sobresurten la identificació de gel a la superfície d’un dels satèl·lits de Saturn, Encèlad i d'hidrogen molecular en les seves surgències de vapor; informació sobre l’estructura i composició dels anells i la detecció d’estructures verticals al seu interior; dades sobre la geologia i composició de Tità, que revelaren l’existència de nombrosos compostos prebiòtics, entre els quals hi ha una gran abundància de metà, que en estat líquid forma rius i llacs i que dona lloc a tempestes i a una atmosfera boirosa típica; l’observació d’una tempesta iniciada al pol nord de Saturn i que afectà tot el planeta en 2010-11; la variació de les ones de ràdio emeses per Saturn en funció de la rotació; la imatge de l’estructura hexagonal del pol nord del planeta i les tempestes que n’afecten els dos pols.
A l’abril del 2017, la nau començà la fase final de la seva existència programada, consistent a orbitar entre els anells i la superfície del planeta, zona mai explorada anteriorment. El final de la missió es produí el 15 de setembre d’aquest any, en què la nau es dirigí cap a Saturn i es desintegrà en entrar a l'atmosfera del planeta.