Am Weihnachtsabend 2004 wurde Huygens von seinem Mutterschiff Cassini abgetrennt, um den letzten Weg bis zum Titan allein zurück zu legen. Der Eintritt in die Atmosphäre des Mondes wurde am 14. Januar 2005 um 11h13 MEZ erwartet. Aufgrund der starken Reibung mit der Atmosphäre heizte sich Huygens auf ca. 3.500 Grad Celsius auf. Einer Beschleunigung von 16 G ausgesetzt verlangsamte sich die Geschwindigkeit vorerst von 20.000 km/h auf 1.400 km/h. Daraufhin (vier Minuten nach Eintritt in die Atmosphäre) löste sich Huygens hinteres Hitzeschild und ein 8 Meter großer Bremsfallschirm wurde entfaltet. 15 Minuten nach dem Eintritt wurde auch dieser Fallschirm abgetrennt und Huygens stieg an einem kleineren 3 Meter großen Fallschirm zur Oberfläche ab.

Um 11h18, also nachdem das hintere Hitzeschild entfernt wurde, begann Huygens Funksignale an Cassini zu übertragen. Das Mutterschiff flog währenddessen ungefähr 60.000 km entfernt an dem verhüllten Mond vorüber und lauschte den Signalen von Huygens. Die Bodenstation hatte weder Kontakt zu Huygens, dessen atmosphärischer Abstieg vollautomatisiert vollzogen wurde, noch zum Cassini-Mutterschiff, das seine Antenne in Richtung des Titan ausgerichtet hatte, um seine ganze Aufmerksamkeit der Huygens-Mission zu widmen.

Zur Mittagszeit konnte das Robert C. Byrd Green Bank Radioteleskop (GBT) in West Virginia (USA) das von Huygens ausgesendete Trägersignal erkennen. Somit war klar, das Huygens den feurigen Eintritt in die Titanatmosphäre überstanden hatte. Aus der Bodenstation in Deutschland drangen Jubelschreie - wissenschaftliche Daten enthielt das schwache Signal jedoch noch nicht.

Der Aufprall auf die Oberfläche wurde ungefähr zweieinhalb Stunden nach Eintritt der Sonde in die Atmosphäre erwartet. Den Berechnungen zur Folge sollte Huygens mit einer Geschwindigkeit von fast 20 Kilometern pro Stunde aufschlagen. Vorausgesetzt, die 320 Kilogramm schwere Sonde würde nicht in einem Ozean aus flüssigen Kohlenwasserstoffen auftreffen, versprachen sich die Wissenschaftler eine große Wahrscheinlichkeit, dass Huygens die Landung überstehen würde. Man erwartete, dass Huygens auch von der Oberfläche des Titans noch über den Zeitraum von einer halben Stunde hinweg Messungen durchführen könnte - die Sonde sollte diese Erwartungen bei weitem übertreffen.

Erst um kurz nach 16 Uhr MEZ, also 5 Stunden nach der Ankunft von Huygens auf dem Titan drehte sich Cassini mit seiner Hauptantenne in Richtung Erde, um die sensiblen Daten, die Huygens sammelte und vorerst zu Cassini übertrug, nun zur Erde weiterzuleiten. Das schwache Trägersignal von Huygens konnte selbst zu dieser Zeit noch von der Erde aus beobachtet werden, doch Cassini befand sich von Huygens aus gesehen nicht mehr über dem Horizont und konnte somit keine Daten der Landekapsel mehr empfangen.

Ab 16h16 MEZ wurden erstmals Daten von Cassini zur Erde übertragen. Noch am Abend des 14. Januar 2005 wurden im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt die ersten Bilder veröffentlicht, die Huygens während des Abstiegs in der Atmosphäre und nach dem Aufprall auf der Oberfläche anfertigen konnte. Bis 21 Uhr wurden von Cassini rund 350 Fotos zur Erde übermittelt. Insgesamt hat die Muttersonde ungefähr 500 Megabyte auszuwertende Rohdaten von Huygens empfangen.

Die schwer zu interpretierenden Schwarz-Weiß-Bilder zeigen aus luftiger Höhe aufgenommene weit verzweigte Flusssysteme, Küstenlinien und Felsblöcke auf der Oberfläche des Mondes. Die Wissenschaftler hatten erwartet solche und ähnliche Formationen auf dem Titan vorzufinden, waren jedoch überwältigt, mit welcher Deutlichkeit diese Oberflächendetails bereits auf ersten Bildern hervortraten.

Die Titan-Sonde Huygens war mit den folgenden sechs verschiedenen wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet:

Descent Imager/Spectral Radiometer
Huygens Atmospheric Structure Instrument
Aerosol Collector and Pyrolyzer
Gas Chromatograph/Mass Spectrometer
Doppler Wind Experiment
Surface Science Package

Der ursprüngliche Flugplan sah vor, dass Huygens bereits Ende November 2004 in die Titan-Atmosphäre absteigt, wenn Cassini in einer Entfernung von 1.200 Kilometern an Titan vorüber fliegt. Doch die Wissenschaftler wurden dazu genötigt, aufgrund eines Empfangsproblems der Cassini-Sonde, Huygens Ankunft auf Januar 2005 zu verschieben.

Bei einem Testversuch stellten Wissenschaftler glücklicherweise noch rechtzeitig fest, dass der Signalempfänger an Bord von Cassini möglicherweise nicht in der Lage gewesen wäre, Huygens Signale zu empfangen. Aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit von Cassini während des Abstiegs der Sonde Huygens wäre es zu einer starken Doppler-Verschiebung der Radiosignale von Huygens gekommen. Die Empfangsanlage an Bord von Cassini ist für solche Frequenzen nicht ausgelegt – Cassini hätte Huygens schlichtweg nicht gehört.

Um die Relativgeschwindigkeiten der beiden Sonden und damit den Doppler-Effekt abzusenken, wurde die Bahn Cassinis leicht verändert und die Abtrennung der kleinen europäischen Sonde auf den Weihnachtsabend des Jahres 2004 verschoben. Während des Abstiegs am 14. Januar 2005 wird Cassini nun eine angemessene Relativgeschwindigkeit aufweisen, so dass alle wichtigen Daten empfangen werden können. Die durchgeführten Tests waren erfolgreich und es ist nicht damit zu rechnen, dass wissenschaftlich wertvolle Daten verloren gehen werden.

Die Wissenschaftler erwarten anhand des von Huygens angefertigten Bildmaterials bestimmen zu können, ob die Sonde auf flüssiger oder fester Oberfläche aufkommen wird und ob diese im letzteren Fall mit Kratern oder anderen Oberflächenmerkmalen überzogen sein wird.

Nachdem die Sonde die Oberfläche berührt hat, sollte schnell festgestellt werden können, ob sie auf einem kalten Ozean schwimmt oder auf festem Grund gelandet ist. Ein Schwingungsmessgerät sollte das Schaukeln der Sonde auf dem Ozean messen können. Durch die Wärme der Sonde können die flüssigen Kohlenwasserstoffe verdampfen und von den Sensoren analysiert werden.