Die Raumsonde beginnt am 1. Juli 2004 ihre vierjährige Forschungsmission im System des kosmischen "Herrn der Ringe". Die Sonde passierte bereits am 11. Juni 2004 den seltsamen äußeren Saturnmond Phoebe in nur 2.068 Kilometern Entfernung. Für die Wissenschaftler bot sich am diesem Tag die einzige Möglichkeit, detaillierte Nahaufnahmen des eisigen Mondes zu erhalten. Die von Cassini angefertigten Bilder zeigten den Krater-überzogenen Mond Phoebe in ungeahntem Detailreichtum.

Der Vorbeiflug an Phoebe kann als eine feierliche Eröffnungszeremonie zur Erkundung des Saturn-Systems durch Cassini angesehen werden - einer der am höchsten entwickelten und wissenschaftlich wohl meistbedeutenden jemals durchgeführten Planeten-Erkundungs-Missionen. Zudem ist Saturn ein besonders faszinierender Planet, der vor allem in der breiten Bevölkerung für Aufsehen sorgt.

In der letzten Juni-Nacht des Jahres 2004 durchlief Cassini eine kritische Phase. Durch eine 96,4-minütige Zündung des Hauttriebwerks musste die Sonde ihre Reise-Geschwindigkeit abrupt abbrechen, um in eine Umlaufbahn um den Ringplaneten zu fallen.

Eine weitere Triebwerkszündung wurde zudem Ende August 2004 durchgeführt, um den Saturn-nächsten Punkt der Umlaufbahn Cassinis anzuheben und die Sonde in einen wissenschaftlich sinnvollen Orbit zu bringen.

Ausgestattet mit modernen Teleskopen, einem Radarsystem zur Abtastung der Oberflächen von Himmelskörpern und einer Vielzahl zusätzlicher leistungsstarker Instrumente wird Cassini mindestens vier Jahre lang den 6. Planeten in unserem Sonnensystem, sein gewaltiges Ringsystem in nie da gewesener Finesse, die stürmische Atmosphäre, das energiereiche Magnetfeld und einige der eisigen Monde studieren.

Dem größten Saturnmond Titan wurde im Januar 2005 eine ganz besondere Aufmerksamkeit zuteil, als die von Cassini Huckepack getragene europäische Sonde Huygens sich von ihrer Muttersonde löste, um kurz darauf in die Atmosphäre von Titan einzudringen. Titan ist der zweitgrößte Mond im Sonnensystem und der weitaus größte Mond im Saturn-System. Als einziger Planeten-Trabant im Sonnensystem verfügt er über eine dichte Atmosphäre. Diese macht es fast unmöglich, auf seine Oberfläche hinab zu blicken.

Huygens konnte das Geheimnis der Oberflächenbeschaffenheit dieses Mondes lösen. Die europäische Sonde Huygens stieg durch einen Fallschirm gebremst, relativ langsam durch die undurchsichtige Hülle des Mondes ab und erreichte seine Oberfläche somit sanft. Während des ungefähr zweieinhalb Stunden andauernden Abstiegs der Sonde wurden wissenschaftliche Daten erstellt und an Cassini gesendet. Nach dem Start von Cassini-Huygens konnte ein schwerwiegendes Problem aufgedeckt werden, dass die Huygens-Mission vorübergehend gefährdete. Die Huygens-Mission war eine Sternstunde der europäischen Raumfahrt - die Mission verlief fast fehlerfrei und die Europäer sind nun die ersten Besucher des Saturnmondes Titan.

Cassini wird während seiner geplanten vierjährigen Mission 76 sich ständig verändernde Orbits um den Saturn herum zurücklegen. Dabei wird die Sonde regelmäßig bei nahen Vorbeiflügen die Gravitation des Mondes Titan nutzen, um die eigene Bahn mehr oder weniger stark zu verändern, um dadurch enorme Mengen Treibstoff zu sparen. Da Cassini also immer wieder die Hilfe von Titans Schwerkraft benötigt, kommt es planmäßig zu 45 nahen Begegnungen mit Titan. Zwischenzeitlich wird sich Cassini 4 Mal dem Mond Enceladus, jeweils 2 Mal Japetus, Rhea und Tethys und jeweils einmal den Monden Mimas, Hyperion und Dione annähern.

Insgesamt wird Cassini also mehr als 50 nahe Passagen an sieben der 31 bekannten Saturnmonde anfliegen. Die Distanzen werden dabei minimal 500 Kilometer betragen. Die Annäherungen an den Mond Titan werden auf 950 Kilometer limitiert, um aerodynamische Effekte zu vermeiden, die bei der Durchquerung extremer oberer Ausläufer der Atmosphäre des Mondes auftreten könnten.

Cassini wird mithilfe seiner Parabolantenne Radaraufnahmen der Oberfläche des Mondes Titan anfertigen. Spezielle Filtermethoden werden es den Kameras Cassinis erlauben, durch spektrale Fenster bis auf die Oberfläche des Mondes Titan hinab zu sehen. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Mission auch Aufschlüsse darüber, wie das Leben auf der Erde begann, da die chemischen Bedingungen in der Titanatmosphäre Parallelen zu den Gegebenheiten der Urerde ziehen lassen könnten.