把环绕探测与大气下降结合起来
卡西尼－惠更斯号把两种观测结合在一个计划中：卡西尼长期环绕土星，研究大气、磁层、光环和卫星；惠更斯穿过土卫六浓厚的雾霾，直接测量大气与地表。前者携带十二套科学仪器，后者携带六套。一次下降能够取得局部剖面，多年遥感则提供空间与时间背景。
美国国家航空航天局、欧洲空间局和意大利航天局共同实施任务。帕萨迪纳的喷气推进实验室设计、研制和组装轨道器，并负责总体管理；欧洲空间局组织惠更斯研制，意大利航天局提供高增益天线等部件。1997年发射资料包列出的关键人员包括项目经理理查德·斯佩哈尔斯基、项目科学家丹尼斯·马特森，以及惠更斯项目科学家让-皮埃尔·勒布雷顿。
工程取舍与七年航行
远离地球的探测要求设备在长期飞行中保持可靠。工程团队减少可动部件，把部分早期设计中的活动仪器平台改为固定安装，由整个航天器转动来瞄准目标；磁带记录设备改为固态存储器。这样的取舍同时带来操作限制：观测方向与通信方向未必相同，数据需要先存储，再通过深空网络下传。
1997年10月15日，组合探测器从佛罗里达州卡纳维拉尔角由泰坦四号B／半人马座火箭发射。它先后在1998年与1999年两次掠过金星，1999年掠过地球，2000年掠过木星，利用引力辅助航行。按协调世界时计算，它于2004年7月1日进入土星轨道；美国西海岸的日期仍是6月30日。发射与抵达之间相隔近七年，不能合并为同一节点。
惠更斯着陆及通信损失
惠更斯于2004年12月25日与轨道器分离，2005年1月14日进入土卫六大气。防热罩先承受高速进入的热负荷，随后降落伞接替减速，六套仪器在下降中取样和观测。约两个半小时后，探测器于协调世界时11时38分着陆；卡西尼继续接收地表数据，直到约七十二分钟后落到着陆点地平线以下。
通信并未完全按计划工作。为轨道器A通道接收机的超稳定振荡器供电的指令被遗漏，导致该通道数据丢失，B通道仍正常接收。地面射电望远镜直接探测到惠更斯的微弱信号，为风速重建提供了补救资料，但不能据此说所有遗漏数据已经恢复。任务的实际成果必须连同这一工程限制理解。
参考：[3]
温压测值与液体留下的地貌
富尔基尼奥尼等人的大气结构仪器论文报告，着陆处温度为93.65开尔文，不确定度0.25开尔文；压力为1467百帕，不确定度1百帕。下降测量还取得从高空到地面的温度和密度剖面。这类连续数据让研究者检验大气分层，而不只是获得一张地表照片。
下降成像显示明亮而崎岖的高地、暗色平坦低地，以及液体侵蚀留下的地貌。勒布雷顿等人的任务论文把暗色区域比作河床或湖床；着陆处看起来坚实，未见显露在表面的液体。结合极低温与大气成分，研究者认为这些流动痕迹可能与甲烷有关，不能把沟谷直接描述为正在流动的液态水河流。
十三年观察季节与卫星
惠更斯完成下降后，卡西尼的轨道任务持续推进。四年主任务之后，先后开展2008至2010年的春分延长任务和2010至2017年的至日延长任务。十三年土星观测接近当地半个公转周期，使团队可以比较云、温度与光照随季节改变的情况，而不局限于一次飞越。
轨道观测揭示土卫二南极裂隙喷出的冰质物，为地下全球性海洋及可能的海底热液活动提供证据；土卫六的遥感则辨认出液态烃湖泊和海洋。局部下降观测与全球测绘互相补充，也不断产生新问题。这些发现说明某些环境值得进一步研究，并不等于已经发现生命。
进入土星与资料归档
2017年收尾阶段，卡西尼二十二次飞过土星与内侧光环之间的空隙，近距离测量引力场、磁场及微粒环境。推进剂渐少后，团队选择受控进入土星，以降低将来意外撞上土卫二或土卫六、污染这些天体的风险。9月15日，轨道器在最终下降中继续发送测量，随后在大气中毁坏。
任务结束资料包列出约635吉字节科学数据与453048幅图像的统计。资料量之外，更重要的是观测条件、仪器校准与时间序列可以共同保存。卡西尼数据进入美国国家航空航天局行星数据系统，因而航天器停止工作之后，研究者仍能重新比较不同仪器和任务阶段的结果。