NIE ULEGAŁO WĄTPLIWOŚCI, że najważniejszym elementem takiej misji powinien być orbiter przeznaczony do badań atmosfery Saturna, jego pierścieni, księżyców i magnetosfery Długo jednak dyskutowano, czy próbnik atmosferyczny zrzucić na Saturna, Tytana czy też na oba ciała. Gdy ostatni wariant okazał się zbyt kosztowny, wybrano Tytana. Przesądziły o tym niezwykle interesujące informacje o jego atmosferze, jakie zdobyto podczas misji Voyagera 1. W 1985 roku ESA miała już opracowany projekt próbnika przystosowanego do słabej grawitacji i gęstej atmosfery Tytana. Kierownictwo agencji nazwało próbnik imieniem Christiaana Huygensa, XVIIwiecznego holenderskiego astronoma, odkrywcy Tytana. Orbiter, skonstruowany w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii, otrzymał imię XVIIwiecznego francuskowloskiego astronoma Jeana Dominique’a Cassiniego, który odkrył cztery księżyce Saturna i największą przerwę w jego pierścieniach.
W porównaniu z wieloma innymi misjami planetarnymi wyprawa Cassiniego jest przedsięwzięciem stosunkowo drogim: na jej przygotowanie wydano około 3 mld dolarów, z czego na Europę przypadło około 25% kosztów. Podobne wydatki poniesiono podczas realizacji wielkich programów badawczych, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Orbiter Cassini z próbnikiem Huygens jest jednym z największych i najcięższych międzyplanetarnych statków kosmicznych, jakie kiedykolwiek zbudowano: ma 6.8 m długości i wraz z paliwem waży około 5500 kg. Na orbiterze umieszczono 12 instrumentów badawczych, na próbniku zaś sześć [wstawka na stronie 36]. Ponieważ Cassini miał dotrzeć pra wie dwa razy dalej niż Galileo, został wyposażony w znacznie doskonalszy system łączności, większą antenę (którą zbudowała Włoska Agencja Kosmiczna), większą ilość paliwa do manewrowania i bardziej wydajny generator energii. Podobnie jak w sondzie Galileo pierwotnym źródłem tej energii jest promieniotwórczy pluton; ciepło wydzielane w procesie jego rozpadu jest przekształcane w prąd elektryczny.
Sondę CassiniHuygens wyniosła w kosmos należąca do sil powietrznych USA rakieta Titan 4BCentaur, najpotężniejsza aktualnie dostępna rakieta bezzalogowa. Jednak nawet ona nie mogła nadać tak dużemu obiektowi prędkości umożliwiającej bezpośredni lot do Saturna. Podobnie jak poprzednie sondy skierowane do planet zewnętrznych Cassini rozpędzał się stopniowo dzięki precyzyjnemu wykorzystywaniu grawitacji mijanych planet (w latach 19982000 przeleciał dwukrotnie obok Wenus oraz obok Ziemi i Jowisza). Podczas przelotu obok Jowisza w grudniu 2000 roku zbadał zewnętrzne obszary magnetosfery tej olbrzymiej planety. W tym samym czasie Galileo prowadził pomiary w mniejszej odległości od Jowisza. W historii astronautyki był to pierwszy przypadek, gdy jednocześnie obserwowano dwa znacznie od siebie oddalone obszary magnetosfery.