Cassini/Huygens ist ein gemeinsames Vorhaben der NASA, die den Orbiter Cassini und die Trägerrakete stellte, und der europäischen Weltraumagentur ESA, die sich mit der Titan-Sonde Huygens beteiligt.
Am 15. Oktober 1997 brachte eine Titan IV B-Rakete mit einer Centaur-Oberstufe das Sondenpaar Cassini/Huygens von Cape Canaveral in Florida aus auf den Weg zum Saturn. Da selbst die riesige Antriebsenergie einer Titan IV B und Centaur-Rakete nicht ausreichte, um den Saturn direkt anzufliegen, musste sich Cassini/Huygens zunächst Schwung in den Gravitationsfeldern von Venus, Erde und Jupiter holen, um an sein Ziel zu gelangen. Nur selten standen die Planeten für dieses Manöver so günstig wie bei dieser Mission.
Am 26. April 1998 passierte das Raumfahrzeug die Venus in nur 284 Kilometern Abstand und gewann dabei sieben Kilometer pro Sekunde an Geschwindigkeit. Im venusfernsten Punkt erfolgte eine Zündung der Haupttriebwerke zum Einschuss in die vorgesehene Flugbahn zum Saturn mit einem Geschwindigkeitszuwachs von 452 Metern pro Sekunde. Nach einem weiteren Vorbeiflug an der Venus am 24. Juni 1999 wurde schließlich die Erde am 18. August 1999 in einem Abstand von 1157 Kilometern passiert. Obwohl die größte Annäherung der Sonde an den Jupiter im Dezember 2000 über zehn Millionen Kilometer betrug, wurde sie noch einmal spürbar beschleunigt.
Mit der Sammlung wissenschaftlicher Daten wurde in begrenztem Umfang bereits nach dem Erdvorbeiflug begonnen.
Beim ersten Vorbeiflug am Saturn in nur 20.000 Kilometern Abstand am 1. Juli 2004 wurden die Haupttriebwerke von Cassini für 90 Minuten gezündet, um aus dem interplanetaren Raumschiff einen Trabanten des Saturn werden zu lassen.
Auf seiner dritten Runde um den Saturn setzte der von NASA gebaute Orbiter Cassini am 25. Dezember 2004 die europäische Sonde Huygens aus. Nach einem ballistischen Flug wurde Huygens am 14. Januar 2005 durch die Atmosphäre Titans abgebremst und sank dann an Fallschirmen zur Oberfläche ab.
Nach dem Ende der Primärmission folgte vom 01.07.2008 bis zum 10.10.2010 die "Cassini Equinox-Mission", an die sich bis zum Eintritt der Sonde in Saturns Atmosphäre die "Cassini Solstice-Mission" anschließt. Bis Ende 2016 hat Cassini über 250 Saturnumkreisungen absolviert und befindet sich nach wie vor auf dem vorgesehenen Kurs im Saturnsystem.
Das Ende der nominalen Mission ist für den 15. September 2017 vorgesehen. Cassini wird dann gezielt in die oberen Schichten der Saturnatmosphäre eintauchen und verglühen.