Cassini je poslední velkou a drahou meziplanetární sondou, kterou NASA vyvinula. Orbitální modul s přístoji má hmotnost 2150 kg, což spolu s 350 kg vážícím modulem Huygens a více než 3000 kg paliva dává celkovou hmotnost kolem 5600 kg. Vzhledem k slabému slunečnímu záření ve vzdálenostech Saturnu není možné, aby sonda získávala energii ze slunečních panelů. Proto jsou na její palubě radioizotopové termoelektrické generátory využívající přirozeného radioaktivního rozpadu plutonia. Díky tomu musel být start sondy povolen speciální komisí jmenovanou prezidentem.

V listopadu 1995 vyzval Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) zájemce o účast na unikátním projektu, aby posílali své podpisy, pokud je chtějí vyslat do vesmíru. Brzy byl úřad zaplaven pohlednicemi a dopisy z 81 zemí světa. Pomocí počítačového skeneru pak autogramy na DVD disk zaznamenávala desítka dobrovolníků celý rok. Na disku jsou například podpisy tvůrců posledního pokračování filmu Star Trek, mistra bojových umění Chucka Norrise či Mary Cassiniové, která je potomkem Giana Domenika Cassiniho, významného astronoma ze 17. století, podle něhož byla sonda pojmenována. Disk s 616 400 podpisy a dokonce i několika desítkami otisků chodidel miminek a tlapiček domácích zvířat prý nemá být poselstvím lidstva mimozemšťanům. Podle autorů projektu je většina signatářů tohoto kosmického dobrodružství prostě vzrušena myšlenkou, že jejich autogram, tedy část jejich osobnosti, poletí hluboko do vesmíru. Počítačový disk, na němž jsou podpisy zaznamenány, byl slavnostně připevněn na plášť kosmické sondy Cassini a zakryt zlatou izolační fólií, na níž je zobrazen Saturn a brkové pero.

Sonda má výšku 6,8 m a max. průměr 4 m - což je rozměr parabolické antény, která tak kryje zbytek sondy před slunečním zářením. Těleso sondy je konstruováno co nejkompaktněji: dole je spodní blok provozních systémů s pohonným modulem, nad ním je horní blok provozních systémů a nejvýše anténa s vysokým ziskem. Po stranách je připevněna plošina s přístroji pro dálkový průzkum, plošina s přístroji pro studium částic a polí a samostatné pouzdro Huygens. Radar a další přístroje jsou připojeny k hornímu provoznímu modulu, z něhož vede rovněž nosník magnetometru (délka 10,5 m) a dvě prutové antény s malým ziskem (všesměrové). Ve spodní části jsou připevněny radioizotopové termoelektrické generátory.

Sondě Cassini dodává energii trojice radioizotopických termoelektrických generátorů s 33 kg oxidu plutoničitého (především Pu-238, které má krátký poločas rozpadu - 88 roků - a je 270krát aktivnější než Pu-239). Celková radioaktivita dosahuje asi 400 tisíc curie - což je srovnatelné s tím, co bylo za poslední dvě desetiletí uvolněno do atmosféry z podzemních nukleárních výbuchů. Teplo je polovodivými články přeměňováno částečně na elektrickou energii, částečně využíváno pro ohřev a temperování elektronických subsystémů. Elektrický příkon dosahuje 800 W na počátku letu (do roku 2008 degraduje na 628 W), tepelný 13 000 W.

Ekologové usilovali o zákaz startu z obav, že případná havárie, ať již při startu nebo při průletu v blízkosti Země v srpnu 1999, by mohla způsobit "strašnou radioaktivní katastrofu". Zorganizovali dokonce zaslání 40 000 petic do Bílého domu... Naštěstí zodpovědní pracovníci nepropadli podobné hysterii. Experti NASA správně poukazovali na to, že generátory jsou dokonale zabezpečeny proti vysokým teplotám i proti explozi a že riziko jejich poškození je menší než 1:1000000. Ostatně, ruská sonda Mars-8, která měla na palubě rovněž podobné generátory, loni v listopadu skončila svůj let v zemské atmosféře - a nestalo se vůbec nic.

Na palubě orbiteru je 12 vědeckých přístojů:

1. Imaging Science Subsystem (ISS) - snímkování ve viditelném, UV a IR světle
2. Cassini Radar (RADAR) - mapování povrchu Titanu
3. Radio Science Subsystem (RSS) - studium atmosféry, prstenců a gravitačních polí; hledaní gravitačních vln
4. Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) - neutrální a nabité částice v okolní prostoru
5. Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) - chemické složení povrchů, atmosfér a prstenců
6. Composite Infrared Spectrometer (CIRS) - teploty a složení povrchů, atmosfér a prstenců
7. Cosmic Dust Analyzer (CDA) - ledové a prachové částice v okolí
8. Radio and Plasma Wave Spectrometer (RPWS) - plazmatické a rádiové vlny, prach
9. Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) - plazma a magnetická pole
10. Ultraviolet Imaging Spectrograph (UIS) - studium složení a struktury atmosfér
11. Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) - magnetosféra a její interakce se slunečním větrem
12. Dual Technique Magnetometer (MAG) - magnetická pole a jejich interakce se slunečním větrem, prstenci a měsíci

Modul Huygens

Zatímco orbiter byl vyvinut v americké NASA, modul Huygens určený pro měsíc Titan navrhla a vyrobila Evropská kosmická agentura (ESA). Jedná se o těleso o průměru 2,7 metru, které vstoupí do atmosféry Titanu, během sestupu bude měřit charakteristiky okolního prostředí a snad i přistane na povrchu tohoto měsíce. Podobně jako Cassini nese CD–ROM s podpisy pozemšťanů, kteří o to projevili zájem, rovněž Huygens nese podobný "dopis", obsahující kromě jmen i celé pozdravy.

Aparatura je na dvou plošinách, zakrytých pláštěm. Ve směru letu je při balistickém sestupu chráněna aerodynamickým tepelným štítem. Maximální průměr je 2,7 m, celková hmotnost 352 kg včetně 46 kg podpůrného vybavení na orbitální části sondy. Pouzdro není vybaveno žádným pohonným systémem. Během meziplanetárního letu je připojeno k boku sondy Cassini a propojeno konektory s jeho energetickými zdroji, palubním počítačem i základními systémy.

Protože energie baterií vystačí na necelé tři hodiny, bude Huygens aktivován až čtvrt hodiny před tím, než vstoupí do Titanovy atmosféry. Klesání k povrchu bude trvat více něž dvě hodiny. Ve výšce 160 km nad povrchem, při okolní teplotě kolem -120 stupňů Celsia začne hlavní fáze výzkumu, která potrvá až do dopadu na povrch. Nejistota, zda pouzdro dopad vydrží vedla k tomu, že povrchová aktivita není primárním cílem výzkumu. Ovšem pokud dopadne na pevninu rychlostí pod 25 km/h, nemělo by se poškodit. A pokud dopadne do kapalinného prostředí, je konstruováno tak, aby v ní mohlo plavat. Huygens by pak mohl ještě několik minut vysílat z povrchu.

Klíčovými otázkami, na které má Huygens zjistit odpověď, jsou:

• Je část povrchu v kapalném stavu? (infračervená pozorování HST tomu nasvědčují)
• Je nitro tohoto tělesa ještě žhavé?
• Proč má Titan jako jediný měsíc v celé sluneční soustavě hustou atmosféru?
• V jakém složení a množství jsou na povrchu organické sloučeniny a mohl z nich v chladném prostředí začít vznikat život?

Na palubě modulu je umístněno 6 přístrojů:

1. Descent Imager and Spectral Radiometer (DISR) - snímkování; teploty částic během sestupu i na povrchu
2. Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) - struktura a fyzikální vlastnosti atmosféry
3. Gas Chromatograph and Mass Spectrometer (GCMS) - chemické složení plynů a částic v atmosféře
4. Aerosol Collector Pyrolyzer (ACP) - oblaka a vznášející se částice
5. Surface Science Package (SSP) - fyzikální vlastnosti povrchu měsíce
6. Doppler Wind Experiment (DWE) - proudění atmosféry v jejího vlivu na sestup sondy

Kromě NASA a ESA se na projektu podílí ještě Italská kosmická agentura (ISA), která vyvinula vysokoziskovou anténu pro sondu. Evropskou část projektu zastupují vědci z 16 evropských států. ČR zastupuje pouze Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy, která (vedle dalších ústavů z Německa, Norska, Francie, Británie a USA) spolupracuje na experimentu "Analyzátor kosmického prachu" (CDA) s Ústavem Maxe Plancka v Heidelbergu (zodpovědný řešitel: Dr. Jiří Švestka). Misi řídí JPL, komunikace probíhá pomocí anténní sítě NASA Deep Space Network (DSN) tvořené 34-m anténami v Kalifornii (Goldstone), Španělsku (Madrid) a Austrálii (Canberra) a antény umístněné v Darmstadtu (SRN).