Cassini-Huygens oli avaruusalus, joka lähetettiin tutkimaan Saturnusta, sen renkaita ja kuita.
Operaation toteuttivat NASA, Euroopan avaruusjärjestö (ESA) ja Italian avaruusjärjestö (ASI). Avaruusalukseen kuului kaksi pääosaa: Cassini-avaruusalus ja Huygens-luotain. Se laukaistiin 15. lokakuuta 1997 laukaisualukselta Titan IVB/Centaur -kantoraketilla Cape Canaveralista. Cassini saapui Saturnuksen kiertoradalle 1. heinäkuuta 2004, jolloin se oli ensimmäinen Saturnuksen ympäri kiertänyt avaruusalus; sitä ennen Saturnuksen läheisyydessä olivat käyneet vain ohilennot. Tehtävä päättyi syyskuussa 2017, jolloin alus tuhoutui kontrolloidusti sukeltaen Saturnuksen ilmakehään.
Cassinilla käytettiin useita apukenttälentoja (gravity assist) nopeuden ja radan muuttamiseksi: aluksen reitillä oli ohilentoja Venuksen, Maan ja Jupiterin ohi ennen Saturnukseen saapumista. Huygens-luotain irrotettiin Cassinista joulukuussa 2004 ja se laskeutui Titanin pinnalle 14. tammikuuta 2005; tämä oli ensimmäinen laskeutuminen Saturnuksen järjestelmästä löytyvälle kuulle ja samalla ensimmäinen laskeutuminen ulompaan aurinkokuntaan.
Planeettaa ja sen ympäristöä tutkittiin laajalla instrumenttikokonaisuudella: Cassini kantoi tarkkoja kameroita, spektrometrejä, tutkavoimaa (radar), magnetometrejä, hiukkastutkimuslaitteita ja radiotieteen laitteita, joilla mitattiin mm. kaasujen koostumusta, magneettikenttää, hiukkaspopulaatioita ja rengasrakenteita. Huygensin mittalaitteet analysoivat Titanin ilmakehää ja pintaa laskeutumisen aikana, ja lähettivät muun muassa kuvia ja koostumustietoja.
Tehtävän aikana saatiin merkittäviä löytöjä ja uusia oivalluksia. Cassini-Huygens paljasti, että Titanilla on paksu ilmakehä sekä nestemäisiä hiilivetyjärviä ja -järviä (metaani/etaani), jokikuviota ja monimutkaista kaasukemiaa. Enceladus-nimisellä kuulla havaittiin vesipitoisia purkauksia (geysirejä), joiden perusteella kuun pinnan alla on suolainen, hydrotermisesti aktiivinen vesivalli — löydös, joka nosti Enceladuksen kiinnostavaksi kohteeksi elinkelpoisuuden kannalta. Cassini kartoitti myös Saturnuksen renkaiden yksityiskohtaista rakennetta, paljasti pieniä kuunsirpaleita ja rengasprogettoreita sekä havainnoi kausaalista vuorovaikutusta renkaiden ja kuiden välillä. Lisäksi alus teki tarkkoja mittauksia Saturnuksen magneettikentästä, kaasukehästä ja huomattavista ilmiöistä kuten pohjoisnavan kuusikulmaisen suihkuvirtauksen (hexagon).
Viimeisessä vaiheessaan, niin kutsutussa "Grand Finale" -vaiheessa 2017, Cassini suoritti useita ratoja, jotka kulkivat Saturnuksen renkaiden ja planeetan välisestä kapeasta välistä. Nämä radat antoivat ainutlaatuista tietoa renkaiden massasta, sisäisestä rakenteesta ja planeetan lähistön kaasukehästä. Lopulta alus ohjattiin tarkoituksellisesti Saturnuksen ilmakehään 15. syyskuuta 2017, jotta mahdollinen maaperän mikrobiologinen kontaminaatio säilytettäisiin poissa potentiaalisesti asuttavilta kuuilta kuten Enceladukselta ja Titanilta. Cassini lähetti viimeiset tutkimusdataa vielä tunteja ennen tuhoutumistaan.
Missio on ollut yksi avaruustutkimuksen menestystarinoista: se laajensi ymmärrystämme Jupiterin jälkeen toisenlaisten aurinkokuntajärjestelmien kuiden, renkaiden ja planeettojen dynamiikasta, tarjosi runsaasti kuva- ja mittausaineistoa, ja herätti uusia tutkimuskysymyksiä esimerkiksi ajasta, elinkelpoisuudesta ja kaasukehien kemiasta. Nimet aluksille ovat peräisin tähtitieteen historiasta: Cassini on nimetty Giovanni Domenico Cassinin mukaan ja Huygens Christiaan Huygensin mukaan.