De lancering van de sonde vond plaats op 15 oktober 1997.
In december 2000 passeerde Cassini de gasreus Jupiter. Deze planeet werd op dat moment al bestudeerd door de sonde Galileo. Wetenschappers hadden dus de unieke gelegenheid om Jupiter van twee kanten tegelijk te bekijken.
Op 11 juni 2004 passeerde de sonde de maan Phoebe van Saturnus.
Na een reis van zes en een half jaar bereikte de Cassini ruimtesonde de planeet Saturnus op 1 juli 2004.
Op 25 oktober maakte Cassini ruimtesonde zijn eerste scheervlucht langs Titan. Hij naderde tot op 1176 kilometer en nam allerlei foto's, radarbeelden en spectra (op), die succesvol naar de aarde gezonden werden.
Op 3 juli 2004 kwam Cassini al in de buurt op 800.000 kilometer. In 2004 ontdekte Cassini drie nieuwe manen van Saturnus: Methone, Pallene en Polydeuces.
Op 14 januari 2005 drong de sonde Huygens, die in december 2004 van Cassini werd losgemaakt, de atmosfeer rond Titan binnen. Ook Cassini zelf bestudeerde in 2005 het ringensysteem en de manen van Saturnus, Titan, Rhea, Hyperion, Tethys, Dione en Enceladus. De laatste bleek onverwacht een atmosfeer te hebben..
Op 9 maart 2006 werd bekendgemaakt dat op foto's die de Cassini ruimtesonde van Saturnusmaan Enceladus maakte, vloeibaar water zichtbaar is dat uit geisers spuit. Dit was een grote verrassing voor de geleerden, die tot dan toe aannamen dat Enceladus een ijzige wereld was zonder water in vloeibare vorm. De ontdekking leidde tot speculatie over mogelijk (primitief) leven op Enceladus.
Op 4 maart 2009 ontdekt Cassini een kleine maan in één van de buitenste ringen van Saturnus.
In 2010 overleefde Cassini twee gevaarlijke scheervluchten langs Enceladus.
NASA maakte bekend financiële ondersteuning te hebben gekregen om Cassini tot 2017 te blijven volgen.