Le 15 octobre 1997, après 10 ans de travaux mobilisant des scientifiques du monde entier, la mission internationale Cassini-Huygens développée par la NASA, l'ESA et l'ASI est lancée de Floride pour atteindre Saturne. Les laboratoires français et le CNES ont activement contribué à plusieurs des 18 instruments embarqués. L'objectif est d'étudier la planète, son système d'anneaux et de satellites – en particulier Titan, le seul objet du système solaire possédant comme la Terre une atmosphère épaisse majoritairement composée d'azote.

Au terme d'un voyage de 7 ans et plus de 3 milliards de kilomètres parcourus, Cassini-Huygens se met en orbite autour de Saturne en juin 2004 et commence son exploration. Le 14 janvier 2005, la sonde Huygens, détachée de Cassini trois semaines plus tôt, plonge dans l'atmosphère de Titan et se pose à sa surface : les Européens sont les premiers à explorer in situ un astre aussi lointain.

Cassini-Huygens, la mission planétaire la plus ambitieuse jamais mise en œuvre, a dû relever nombre de défis. La traversée des anneaux en aveugle lors de la mise en orbite fut un moment très fort. La sonde Huygens a été conçue alors que l'on ne connaissait rien de la surface de Titan et que certains la pensaient recouverte d'un océan global... Cassini continuera à collecter des données fondamentales jusqu'en 2017.