1 जुलाई 2004 को कैसिनी-हुय्गेंस अंतरिक्ष यान ने 'शनि कक्षा प्रविष्टि' के कौशल का प्रदर्शन किया और शनि के आसपास की कक्षा में प्रवेश किया। प्रविष्टि के पहले, कैसिनी पहले से ही बड़े पैमाने पर प्रणाली का अध्ययन कर चुका था। जून 2004 में, इसने फोबे का एक नजदीकी फ्लाईबाई का आयोजन किया था जिसने उच्च स्पष्टता की छवियों और डेटा को प्रेषित किया। 

शनि के सबसे बड़े चंद्रमा टाइटन के कैसिनी फ्लाईबाई ने बड़ी झीलों तथा द्वीपों और पहाड़ों के साथ उनके तटों की रडार छवियों को कैद किया। इस ऑर्बिटर ने हुय्गेंस यान की 25 दिसम्बर 2004 में रवानगी से पहले दो टाइटन फ्लाईबाई पूरा किया। हुय्गेंस, 14 जनवरी 2005 को टाइटन की सतह पर उतरा और वायुमंडलीय अवतरण के दौरान एवं लैंडिंग के बाद डेटा की बाढ़ भेजी। "कैसिनी" ने उसके बाद से टाइटन और अन्य बर्फीले उपग्रहों के बहु-फ्लाईबाई आयोजित किए है। 

शुरुआती 2005 के बाद, वैज्ञानिकों ने शनि ग्रह पर बिजली खोज निकाली है। इस बिजली की शक्ति पृथ्वी पर की बिजली की करीब 1,000 गुना है।

वर्ष 2006 में नासा ने खबर दी कि कैसिनी ने शनि के चंद्रमा एनसेलेडस के सोते में प्रस्फुटित हो रहे तरल जल जलाशयों के प्रमाण पाए थे। तस्वीरों ने चंद्रमा के दक्षिण ध्रुवीय क्षेत्र में झरोखों से शनि के आसपास की कक्षा में उत्सर्जित हो रहे बर्फीले कणों की फुहारों को दिखाया था। एंड्रयू इंगरसोल, कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान, के अनुसार, "सौरमंडल के अन्य चन्द्रमाओं के पास कई किलोमीटर की बर्फीली परत से आच्छादित तरल-जल महासागर है। यहाँ ऐसा क्या जुदा है कि सतह के दसियों मीटर से ज्यादा नीचे तरल जल के क्षेत्र नहीं हो सकते।" मई 2011 में, एक एनसेलेडस फोकस समूह सम्मेलन में नासा के वैज्ञानिकों ने सुचित किया कि एनसेलेडस "जीवन, जैसा कि हम जानते हैं, के लिए सौर मंडल में पृथ्वी से परे सर्वाधिक रहने योग्य स्थान के रूप में उभर रहा है।

"कैसिनी" छवियों ने अन्य महत्वपूर्ण खोजों के लिए प्रेरित किया है। उसने शनि के चमकदार मुख्य छल्ले के बाहर और जी और ई छल्ले के भीतर एक पूर्व का अज्ञात ग्रहीय छल्ला उजागर किया है। इस छल्ले का स्रोत शनि के दो चंद्रमाओं का एक उल्कापिंड में चूरचूर हो जाना माना गया है। जुलाई 2006 में, "कैसिनी" छवियों ने टाइटन के उत्तरी ध्रुव के समीप हाइड्रोकार्बन झीलों के सबूत प्रदान किये, जिसकी मौजुदगी की पुष्टि जनवरी 2007 में हुई थी। मार्च 2007 में, टाइटन के उत्तरी ध्रुव के समीप की अतिरिक्त छवियों ने हाइड्रोकार्बन "समुद्र" का खुलासा किया, उनमें से सबसे बड़ा करीब-करीब कैस्पियन सागर के आकार का है। अक्टूबर 2006 में, यान ने शनि के दक्षिणी ध्रुव के एक आईव़ोल में एक 8,000 किमी व्यास के चक्रवात जैसे तूफान का पता लगाया।

2004 से लेकर 2 नवम्बर 2009 तक, यान ने 8 नए उपग्रहों की खोज और पुष्टि की। 2008 में इसका प्राथमिक मिशन समाप्त हुआ, तब तक अंतरिक्ष यान ग्रह के चारों ओर 74 परिक्रमाएं पूरी कर चुका था। यान का मिशन, शनि के पूर्ण अवधि के मौसमों के अध्ययन के लिए, सितंबर 2010 तक के लिए विस्तारित हुआ था और फिर 2017 तक के लिए फिर से विस्तारित किया गया।

अप्रैल 2013 में कैसिनी ने ग्रह के उत्तरी ध्रुव के एक तूफान की छवियां प्रेषित की, 530 किमी/घंटा से भी तेज हवाओं वाला यह तुफान पृथ्वी पर पाए जाने वाले तुफानों से 20 गुना बड़ा है।

प्राकृतिक उपग्रह
उत्तरी ध्रुव षटकोणीय बादल पद्धति
कैसिनी-हुय्गेंस अंतरिक्ष यान
यूरोपीय प्रेक्षण (17वीं-19वीं सदी)