Pioneer–11
A Szaturnuszt először a Pioneer–11 látogatta meg 1979 szeptemberében. A bolygó felhőitől 20 000 kilométerre repült el. Kisfelbontású képeket készített a bolygóról és néhány holdról; a képek felbontása nem volt elég jó ahhoz, hogy felszíni alakzatokat lehessen kivenni rajtuk. Az űrszonda tanulmányozta a gyűrűket is; a felfedezések között volt a vékony F-gyűrű és a tény, hogy a sötét rések a gyűrűkben fényesek, mikor a Nap irányába néznek, tehát nem teljesen üresek. Pioneer–11 megmérte a Titán hőmérsékletét is.
Voyager-1
1980 novemberében a Voyager–1 űrszonda látogatta meg a Szaturnusz rendszert. Visszaküldte az első nagy felbontású képeket a bolygóról, a gyűrűkről és holdakról. Először láthattuk a különféle holdak felszíni jellemzőit. A Voyager-1 végrehajtott egy Titán közelrepülést is, amellyel nagyban hozzájárult az óriáshold kutatásához. Bebizonyosodott, hogy Titán légköre látható hullámhosszon áthatolhatatlan, úgyhogy felszíni részletek nem voltak láthatók. A közelrepülés megváltoztatta az űrszonda röppályáját, amely így elhagyhatta a Naprendszer síkját.
Voyager–2
Majdnem egy évvel később, 1981 augusztusában a Voyager–2 folytatta a Szaturnusz rendszerének tanulmányozását. A Szaturnusz holdjairól, a légkörben és a gyűrűkben végbemenő változásokról több közelkép is készült. A közelrepülés idején a szonda mozgatható kameraplatformja néhány napon keresztül beragadt és a tervezett fényképezés egy részét nem tudták elvégezni. A Szaturnusz gravitációját felhasználva az űrszonda röppályáját az Uránusz felé irányították.
A Voyager szondák több új holdat erősítettek meg és fedezték fel a gyűrűk közelében vagy belsejében. Felfedezték a kisebb Maxwell- és Keeler-rést is.
Cassini-Huygens szondapáros
A Cassini űrszonda, pontosabban a Cassini-Huygens szondapáros a NASA, az Európai Űrügynökség (ESA) és az Olasz Űrügynökség közös küldetése. 1997. október 15-én indították, 2004. július 1-jén érkezett meg és állt Szaturnusz körüli pályára. Az ESA Huygens szondája 2005 januárjában sikeresen leszállt a Szaturnusz legnagyobb holdjára, a Titánra. A Cassini azóta folyamatosan vizsgálja a Szaturnuszt, kozmikus környezetét, gyűrűit és holdjait. 2005 november közepén a Cassini már 87. alkalommal repül el a Titán közelében. Az űrszonda két műszerének elkészítésébe a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (ma: MTA Wigner Kutatóközpont) fizikusai és mérnökei is bekapcsolódtak. A Cassini tudományos műszerei közül a fedélzeti magnetométer (MAG) és a plazma spektrométer (CAPS) létrehozásában vettek részt a földi ellenőrző berendezések és a kalibráló rendszerek megépítésével. A magyar kutatók a műszerekkel gyűjtött adatok tudományos elemzéséből is kivették a részüket.
A küldetés főbb állomásai
- 2004. július 1-jéna Cassini–Huygens űrszonda pályára állt a Szaturnusz körül, de már azelőtt megkezdte a holdrendszer tanulmányozását.
- 2004 júniusában megközelítette Phoebe holdat, amelyről nagy felbontású képeket és adatokat küldött.
- A Cassini még kétszer közelítette meg a Titánt, mielőtt leválasztották róla 2004. december 25-én a Huygens szondát.
- A Huygens 2005. január 14-én leereszkedett a Titán felszínére. A légköri ereszkedés közben és a leszállás után is rengeteg adatot küldött.
- 2005 folyamán a Cassini további közelrepüléseket végzett a Titánnál és más jeges holdaknál.
- 2006. március 10-éna NASAbejelentette, hogy a Cassini gejzírekben feltörő folyékony vízre utaló bizonyítékot fedezett fel az Enceladus.
- 2006. szeptember 20-ána Cassini felfedezett egy korábban ismeretlen gyűrűt a fényesebb fő gyűrűkön kívül, illetve a G és az E gyűrűn belül.
- 2006-tól a szonda négy új holdat fedezett fel és erősített meg, majd 2009-ben egy ötödiket, a G gyűrűben.
- Az elsődleges küldetése 2008-ban ért véget, ekkorra 74 keringést végzett a bolygó körül.
- A küldetést kétszer is meghosszabbították, először 2010-ig, majd 2010 februárjában 2017-ig ismét meghosszabbították az addig is nagyon sikeres programot.
- 2017. 09. 15. a veterán űrszonda izzó meteorként megsemmisült a Szaturnusz atmoszférájában.
A Cassini űrszonda a hatalmas, ismeretlen eredetű hatszöget részletesen fotózta a Szaturnuszon. Ehhez hasonló formát sehol másutt nem ismernek a Naprendszerben.
A Szaturnusz északi pólusa körül egy 25 ezer kilométer széles, közel szabályos hatszög alakú légköri képződmény helyezkedik el, amelyet még az 1980-as években fedeztek fel. A felfedezése óta stabilan létező hatszög kialakulására egyelőre nincs pontos magyarázat. Ehhez hasonló alakzatot a Naprendszer más égitestein nem ismernek. A Földön időnként megjelennek hatszögletes felhők, de a Szaturnusz hatszöge szinte teljesen szabályos, és együtt forog a bolygóval. Az eddigi megfigyelések alapján a hatszög egy hatalmas hullámalakzat lehet, amely a légköri áramlások összjátékaként jön létre, és az atmoszféra mélyebb rétegeibe is lenyúlik – igaz, pontos kiterjedése egyelőre nem ismert.