La mission de recherche spatiale Cassini-Huygens (kə-SEE-nee HOY-gənz), communément appelée Cassini, impliquait une collaboration entre la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale italienne (ASI) pour envoyer une sonde spatiale étudier la planète Saturne et son système, y compris ses anneaux et ses satellites naturels. Le vaisseau spatial robotique de classe Flagship comprenait à la fois la sonde spatiale Cassini de la NASA et l'atterrisseur Huygens de l'ESA, qui a atterri sur la plus grande lune de Saturne, Titan. Cassini a été la quatrième sonde spatiale à visiter Saturne et la première à entrer sur son orbite, où elle est restée de 2004 à 2017. Les deux engins ont pris leurs noms des astronomes Giovanni Cassini et Christiaan Huygens.

Lancé à bord d'un Titan IVB/Centaur le 15 octobre 1997, Cassini a été actif dans l'espace pendant près de 20 ans, dont 13 ans passés en orbite autour de Saturne et à étudier la planète et son système après son entrée en orbite le 1er juillet 2004. Le voyage vers Saturne comprenait survols de Vénus (avril 1998 et juillet 1999), de la Terre (août 1999), de l'astéroïde 2685 Masursky et de Jupiter (décembre 2000). La mission s'est terminée le 15 septembre 2017, lorsque la trajectoire de Cassini l'a emmené dans la haute atmosphère de Saturne et qu'elle a brûlé afin d'éviter tout risque de contamination des lunes de Saturne, qui auraient pu offrir des environnements habitables aux microbes terrestres clandestins sur le vaisseau spatial. La mission a été un succès au-delà des attentes - le directeur de la division des sciences planétaires de la NASA, Jim Green, a décrit Cassini-Huygens comme une "mission des premières" qui a révolutionné la compréhension humaine du système de Saturne, y compris ses lunes et ses anneaux, et notre compréhension de l'endroit où la vie pourrait se trouve dans le système solaire. Les planificateurs de Cassini avaient initialement prévu une mission de quatre ans, de juin 2004 à mai 2008. La mission a été prolongée de deux ans jusqu'en septembre 2010, sous le nom de Cassini Equinox Mission. La mission a été prolongée une deuxième et dernière fois avec la mission Cassini Solstice, qui a duré encore sept ans jusqu'au 15 septembre 2017, date à laquelle Cassini a été désorbité pour brûler dans la haute atmosphère de Saturne.

Le module Huygens a voyagé avec Cassini jusqu'à sa séparation de la sonde le 25 décembre 2004 ; Huygens a atterri en parachute sur Titan le 14 janvier 2005. Il a renvoyé des données sur Terre pendant environ 90 minutes, en utilisant l'orbiteur comme relais. C'était le premier atterrissage jamais accompli dans le système solaire externe et le premier atterrissage sur une lune autre que la Lune de la Terre.

À la fin de sa mission, le vaisseau spatial Cassini a exécuté sa "Grande Finale": un certain nombre de passages risqués à travers les interstices entre Saturne et les anneaux intérieurs de Saturne.

Cette phase visait à maximiser les résultats scientifiques de Cassini avant que le vaisseau spatial ne soit intentionnellement détruit pour éviter une contamination potentielle des lunes de Saturne si Cassini devait accidentellement s'écraser sur elles lorsque la manœuvre de la sonde n'était plus possible en raison d'une perte de puissance ou d'autres problèmes de communication à la fin de son durée de vie opérationnelle. L'entrée atmosphérique de Cassini a mis fin à la mission, mais l'analyse des données renvoyées se poursuivra pendant de nombreuses années.