Die gewaltige 6 Tonnen schwere Raumsonde ist fast 7 Meter hoch und 4 Meter breit. Zum Datenaustausch mit der Bodenstation nutzt Cassini eine 4 Meter große Kommunikations- und Radarantenne. Cassini besitzt ein 12 Meter langes Magnetometer, 22.000 Kabelverbindungen, insgesamt 12 Kilometer Elektrokabel, 82 Radioisotop-Heizgeräte, die die internen Systeme warm halten sollen, 16 Hydrazin-Raketen zur Kurs- und Höhenkontrolle, 4 Gyroskope zur feineren Lageregelung und zwei Haupttriebwerke für besondere Kurskorrekturen, von denen eines ausschließlich nur für den Fall des Versagens des erstgezündeten Triebwerks zum Einsatz kommt.

Eigentlich besitzt jedes Haupt- und Untersystem an Bord von Cassini ein redundantes Ersatzgerät. Unzählige Computerprogrammierer haben Software-Sequenzen entwickelt, die Cassini dazu befähigen, möglicherweise auftretende Fehler selbständig, ohne Intervention von der Erde zu erkennen und zu korrigieren. Radiosignale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen, benötigen von der Erde zum Saturn fast 90 Minuten. Somit bestünde fast keine Möglichkeit für die Bodenstation bei einem plötzlich auftretenden Problem einzugreifen.

Normalerweise sollte Cassini seine Mission über einen Zeitraum von 2 Wochen hinweg ohne jedes Eingreifen von der Erde aus absolvieren können. Nie zuvor ist ein vergleichbar hoch entwickeltes Raumfahrzeug in das äußere Sonnensystem entsandt worden.

Die 12 Forschungsinstrumente an Bord von Cassini lassen sich funktional in zwei verschiedene Kategorien einordnen - Fernerkundung und Feld- und Partikelmessungen.

Fernerkundungsinstrumente

- Imaging Science Subsystem (Schmal- und Weitwinkelkameras)
- Visible and Infrared Mapping Spectrometer
- Composite Infrared Spectrometer
- Ultraviolet Imaging Spectrograph
- Cassini Radar
- Radio Science

Die Fernerkundungsinstrumente werden spektakuläre Bilder liefern, die vor allem die breite Bevölkerung ansprechen werden. Die hunderttausenden zu erwartenden Bilder dieser Kameras und Spektrographen werden Fragen beantworten können, wie die Oberfläche des Mondes Titan unter der dichten Wolkendecke beschaffen ist. Gibt es dort Krater? Existieren Seen auf der Oberfläche von Titan? Auch die anderen Monde, das Ringsystem und die Atmosphäre des Saturns werden von diesen Geräten in bislang unbekannter Pracht abgebildet werden.

Feld- und Partikelmessungen

- Cassini Plasma Spectrometer
- Ion and Neutral Mass Spectrometer
- Cosmic Dust Analyzer
- Dual Technique Magnetometer
- Magnetospheric Imaging Mass Spectrometer
- Radio and Plasma Wave Science Instrument

Mit den Feld- und Partikelmessgeräten werden die Wissenschaftler versuchen, der Natur des Plasmas, das den Planeten Saturn umgibt, auf die Spur zu kommen. Ebenso werden die Magnetosphäre und die Charakteristika des Staubs in diesem System mithilfe dieser Geräte erforscht werden.

Anders als bei den Voyager-Sonden und der Galileo-Mission zum Jupiter sind Cassinis vier optische Fernerkundungssysteme nicht auf eine unabhängig ausrichtbare Plattform montiert. Um ein spezielles Ziel zu beobachten, muss das gesamte Raumfahrzeug neu ausgerichtet werden.

Die Instrumente zur Feld- und Partikelmessung sind um die Sonde herum verteilt. Eine direkte Ausrichtung ist hier nicht nötig, da diese Geräte meist die gesamte 360-Grad-Umgebung des Raumfahrzeugs beobachten. Zu diesem Zweck wird Cassini während des Missionsverlaufs um die eigene Achse rotieren.

Während eines Missions-typischen Tages wird Cassini 16 Stunden am Stück damit verbringen, über den gesamten Zeitraum hinweg Daten zu sammeln. Einen Teil dieser Zeit wird sich Cassini in einer Ausrichtung befinden, die optische oder Radar-Beobachtungen eines speziellen Ziels begünstigt. Den Rest der Zeit wird Cassini Feld- und Partikelfluss-Stärken-Messungen durchführen. Während der gesamten Datenaufnahme-Phase wird die Hauptantenne nicht auf die Erde ausgerichtet sein und Cassini wird vollkommen selbständig arbeiten.

Nachdem die 16-stündige Phase wissenschaftlicher Arbeiten abgeschlossen ist, richtet sich Cassini mit seiner Hochleistungsantenne erneut auf die Erde aus und verbringt in Folge dessen 8 Stunden lang damit, die gespeicherten Daten an die großen Empfangsantennen des Deep Space Network der NASA in Australien, Spanien und Kalifornien zu übertragen. Cassini kann bis zu 165.900 Bit pro Sekunde übertragen. Die Bodenstation kann somit am Tag bis zu 4 Gigabyte an Datenmaterial aufzeichnen.

Technische und wissenschaftliche Daten werden auf zwei 2,2 Gigabyte großen Digitalrekordern gespeichert, die daneben auch Kopien der Flugsoftware für den Fall der Fälle bereithalten.