土星和太阳的平均距离超过了14.37亿千米（9.58天文单位），轨道上运行的平均速度是9.69 千米/秒，所以土星上的一年（即土星绕太阳公转一周）相当于10759个地球日（或是28.5地球年）。土星的椭圆轨道相对于地球轨道平面的倾角为2.48°，因为离心率为0.056，因此土星与太阳在近日点和远日点（行星在轨道路径上与太阳最近和最远的两个点）之间的距离变化大约为1.62亿千米。
土星可见的特征（如六边型风暴）的自转速率根据所在纬度的不同而有所不同，各个的区域的自转周期如下：“系统I”的周期是10小时14分00秒，包含的是赤道区域，从南赤道带的北缘延伸至北赤道带的南缘；其他的纬度都属于周期为10小时39分24秒的“系统II”；基于旅行者号飞越土星时发现的无线电波，“系统III”的周期为10小时39分22.4秒；因为与系统II非常接近，它可以很大程度上替代系统II。
然而，精确的内部周期仍然未能确定。卡西尼号在2004年接近土星时，发现无线电的周期又有可察觉的增加，达到10小时45分45 秒（±36秒）。造成变化的原因仍不清楚，但这种变化被认为是由于无线电的来源在土星内部不同的纬度上运动而改变了自转周期，而不是出自土星本身自转周期上的变化。
而后，在2007年，无线电发射被发现没有跟随着行星一起旋转，而可能是由等离子体圆盘的对流造成的，它也与除了行星的自转之外的其他因素有关。有报道指出，这种测量到的自转周期的变化也许是由土星卫星土卫二上的喷泉活动造成的。由这种活动而散布进入土星轨道的水蒸气被电离，从而影响了土星的磁场，使得磁场的旋转速度相对于土星的自转被稍稍降低。还没有方法可以直接测定土星核心的自转速率。
在2007年9月的报告中，根据各种测量结果（包括卡西尼号、旅行者1号、2号和先驱者11号的报告）综合而得的对土星自转的最后估计值是10小时32分35秒。根据卡西尼号探测器收集的数据，2019年估计10小时33分38秒。
由于其低密度、高速自转和流体的可变性，土星的外形呈现为一个椭球体，也就是极轴相对扁平而赤道相对突出，它的赤道直径和两极直径之比相差大约10%（前者120536千米，后者108728千米）。其它气体行星虽然也是椭球体，但突出程度都较小。虽然土星核心的密度远高于水，但由于存在较厚的大气层，土星仍是太阳系中仅有的密度低于水的行星，它的比重是0.69 g/cm³。土星的质量是地球的95倍，相较之下木星质量是地球的318倍，但木星的直径大约仅为土星的1.21倍。木星和土星一起占据太阳系总行星质量的92%。
土星被称为气态行星，但它并不完全是气态的。这颗行星主要包括氢气，在密度为0.01 g/cm3以上时氢气变成了非理想液体。此密度被达到在包含99.9％土星质量的半径。从行星内部直到的核心的温度，压力和密度全都是稳步上升，使在行星的更深层导致氢气转变成金属。
虽然只有少量的直接资料，但标准的行星模型表明，土星的内部结构仍被认为与木星相似，即有一个被氢和氦包围着的较小核心。岩石核心的构成与地球相似但密度更高，估计核心的质量大约是地球质量的9–22倍。在核心之外，有更厚的液态金属氢层，然后是数层的液态氢和氦层，在最外层是厚达1000 千米的大气层，也存在着各种型态冰的踪迹。
土星有非常热的内部，核心的温度高达11700 °C，并且辐射至太空中的能量是它接受来自太阳的能量的2.5倍。大部分能量是由缓慢的重力压缩（克赫历程）产生，但这还不能充分解释土星的热能制造过程。额外的热能可能由另一种机制产生：在土星内部深处，液态氦的液滴如雨般穿过较轻的氢，在此过程中不断地通过摩擦而产生热。
土星外围的大气层包括96.3%的氢和3.25%的氦，可以侦测到的气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷。上层的云由氨的冰晶组成，较低层的云则由硫化氢铵（NH₄HS）或水组成。相对于太阳所含有的丰富的氦，土星大气层中氦的丰盈度明显高很多。对于比氦重的元素的含量，如今所知不甚精确；但如果假设与太阳系形成时的原始丰盈度是相当的，则可估算出这些元素的总质量是地球质量的19-31倍，而且大部分都存在于土星的核心区域。
土星的上层大气与木星相似（在相同定义的前提下），同样都有着显而易见的条纹；但土星的条纹比较幽暗，并且赤道附近的条纹也比较“幽色”。从底部延展至大约10千米高处，是由水冰构成的层次，温度大约是-23℃。在这之后是硫化氢氨冰的层次，延伸出另外的50千米，温度大约在-93℃，在这之上是80千米的氨冰云，温度大约是-153℃。接近顶部，在云层之上200～270千米是可以看见的云层顶端，由数层氢和氦构成的大气层。土星的风速是太阳系中最高的，旅行者号的数据显示土星的东风最高可达500m/s（1800千米/时）。直到旅行者探测器飞越土星，比较纤细的条纹才被观测到。然而从那之后，地基望远镜也被改善到在通常情况下都能够观察到土星的这些细纹。
土星的大气层通常都很平静，偶尔会出现一些持续较长时间的长圆形特征，以及其他在木星上常常出现的特征。1990年，哈勃太空望远镜在土星的赤道附近观察到一朵极大的白云，是在旅行者号探测器与土星遭遇时未曾看见的，在1994年又观察到另一朵较小的白云风暴。1990年的白云是大白斑的一个例子，这是在每一个土星年（大约30个地球年），当土星北半球夏至的时候所发生的独特但短期的现象。之前的大白斑分别出现于1876、1903、1933和1960年，并且以1933年的最为著名。如果这个周期能够持续，下一场大风暴将在大约2020年发生。来自卡西尼号探测器的最新图像显示，土星的北半球呈现与天王星相似的明亮蓝色。这种蓝色非常可能是由瑞利散射造成的，但因为当时土星环遮蔽住了北半球，因此从地球上无法看见这种蓝色。天文学家通过分析红外线影像发现土星有一个“温暖”的极地漩涡，这种特征在太阳系内是仅有的。天文学家认为这个点是土星上温度最高的点，土星上其他各处的温度是-185 °C，而该漩涡处的温度则高达-122 °C。
旅行者1号的影像中最先被注意到的是一个长期出现于北纬78°附近，围绕着北极的六边形漩涡。不同于北极，哈勃太空望远镜所拍摄到的南极区影像有明显的“喷射气流”，但没有强烈的极区漩涡，也没有“六边形的驻波”。但是，NASA报告卡西尼号在2006年11月观测到一个位于南极像飓风的风暴，有着清晰的眼壁。这是很值得注意的观测报告，因为在过去除了地球之外，没有在任何的行星上观测到眼壁云（包括伽利略号探测器在木星的大红斑上都未能发现眼壁云）。
在北极的六边形结构中每一边的直线长度大约是13800千米，整个结构每10小时39分24秒自转一周，与行星的无线电波辐射周期一样，这也被认为是土星内部的自转周期。这个六边形结构像大气层中可见的其他云彩一样，在经度上没有移动。这个现象的规律性的起源仍在猜测之中，多数的天文学家认为是在大气层中某种形式的驻波，但是六边形也许是一种新型态的极光。在实验室的流体转动桶内已经模拟出了多边型结构。
土星有一个简单的具有对称形状的内在磁场——一个磁偶极子。磁场在赤道的强度为0.2高斯（20µT），大约是木星磁场的20分之一，比地球的磁场微弱一点；由于强度远比木星磁场微弱，因此土星的磁层仅延伸至土卫六轨道之外。磁层产生的原因很有可能与木星相似——由金属氢层（被称为“金属氢发电机”）中的电流引起。与其他的行星一样，土星磁层会受到来自太阳的太阳风内的带电微粒影响而产生偏转。卫星土卫六的轨道位于土星磁层的外围，并且土卫六的大气层外层中的带电粒子提供了等离子体。
土星环绕太阳旋转一周接近30年，在公转一次中仅出现两次土星双极光现象。哈勃望远镜拍摄的这张图像显示土星每个极地同时出现闪亮的极光。这一现象是由于太阳风形成的。太阳风是太阳喷射的亚原子带电粒子流，与土星大气层的分子发生交互作用。在地球上，极光是带电粒子沿着地球磁场线进入大气层形成的奇特现象。天文学家发现该图像中土星北极和南极极光之间存在细微的差别，其中包含在北极光中的明亮椭圆形状区域比南极光区域略小，并且光线更强烈一些。这暗示着土星的磁场分布并不均匀，由于北极磁场更强一些，当太阳粒子穿过北极大气层时被加速形成能量较高的粒子流。
1610年，意大利天文学家伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物。1659年，荷兰学者克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）证实这是离开本体的光环。当时观测到土星环有5个（1979年先驱者11号又探测到两个新环）。1675年意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini），发现土星光环中间有一条暗缝（后称卡西尼缝），他还猜测光环是由无数小颗粒构成。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测，但在这二百年间，土星环通常被看作是一个或几个扁平的固体物质盘。直到1856年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）从理论上论证了土星环是无数个小卫星在土星赤道面上绕土星旋转的物质系统。
土星环位于土星的赤道面上。在空间探测前，从地面观测得知土星环有五个，其中包括三个主环（A环、B环、C环）和两个暗环（D环、E环）。B环宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A环。A、B两环之间为宽约4800千米的卡西尼缝，是天文学家卡西尼在1675年发现的，产生环缝的原因是因为光环中有卫星运行，卫星的引力造成的。B环的内半径91500千米，外半径116500千米，宽度25000千米，可以并排安放两个地球。A环的内半径121500千米，外半径137000千米，宽度15500千米。C环很暗，它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12000千米处，宽度约19000千米。1969年在C环内侧发现了更暗的D环，它几乎触及土星表面。在A环外侧还有一个E环，由非常稀疏的物质碎片构成，延伸在五六个土星半径以外。1979年9月先驱者11号探测到两个新环——F环和G环。F环很窄，宽度不到800千米，离土星中心的距离为2.33个土星半径，正好在A环的外侧。G环离土星很远，展布在离土星中心大约10～15个土星半径间的广阔地带。先驱者11号还测定了A环、B环、C环和卡西尼缝的位置、宽度，其结果同地面观测相差不大。先驱者11号的紫外辉光观测发现，在土星的可见环周围有巨大的氢云，环本身是氢云的源。
除了A环、B环、C环以外的其他环都很暗弱。土星的赤道面与轨道面的倾角较大，从地球上看，土星呈现出南北方向的摆动，这就造成了土星环形状的周期变化。仔细观测发现，土星环内除卡西尼缝以外，还有若干条缝，它们是质点密度较小的区域，但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝为永久性，不过，环缝也不完整。科学家认为这些环缝都是土星卫星的引力共振造成的，犹如木星的巨大引力摄动造成小行星带中的柯克伍德缝一样。“先驱者”11号在A环与F环之间发现一个新的环缝，称为“先驱者缝”，还测得恩克缝宽度为392千米。由观测阐明土星环的本质要归功于美国天文学家基勒，他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘，而是以独立轨道绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住，这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知环的质点是直径介于4到30厘米之间的冰块。
探测器传回的土星照片让科学家非常吃惊，在近处所看到的土星环，竟然是一大片碎石块和冰块，使人眼花缭乱。它们的直径从几厘米到几十厘米不等，只有少量的超过1米或者更大，土星周围的环平面内有数百条到数千条大小不等，形状各异的环。大部分环是对称地绕土星转的，也有不对称的有完整的、比较完整的、残缺不全的。环的形状有锯齿形的，也有辐射状的。令科学家迷惑不解的是，有的环好像是由几股细绳松散的搓成的粗绳一样，或者说像姑娘们的发辫那样相互扭结在一起。辐射状的环更是令科学家大开了眼界而又伤透了脑筋，组成环的物质就像车轮那样，步调整齐地绕着土星转，要求那些离得越远的碎石块和冰块运动的速度越快。这显然违背了已经掌握的物质运动定律。
美国国家航空航天局（NASA）的科学家于2009年10月8日发现土星周围存在一个“隐形”的巨大光环，这个光环可以容纳10亿个地球。NASA喷气推进实验室称，该光环平面与土星主光环面成27度倾角，该光环内侧距离土星约595万千米，宽度约1190万千米它的直径相当于300倍土星的直径。可容纳大约10亿个地球。光环由冰和尘埃微粒组成，它们之间的距离如此之大，即使你站在光环上也看不清楚，另外土星照射到的太阳光线很少，光环反射出的可见光更少，令它难以被发现组成光环的尘埃温度很低，仅有-193℃，但却散发出热辐射。NASA斯皮策太空望远镜正是捕捉到这些热辐射，才发现了这个巨大的光环。土卫九的轨道穿越该光环。科学家们认为，光环内的冰和尘埃来自于土卫六与彗星的碰撞。光环的发现可能有助于解释关于土卫八的一个古老而神秘的问题。天文学家卡西尼1671年首次发现土卫八，称这个星球一面黑一面白，就像太极符号一样。新发现的光环旋转轨道与土卫八相反。科学家们推测，光环内的尘埃飞溅到土卫八表面上，形成了黑色区域。“长久以来，航天学者一直认为土卫九与土卫八表面之上的黑色物质之间存在某种联系，新发现的光环为此提供了令人信服的证据。”新光环的发现者之一、马里兰大学专家道格拉斯·汉密尔顿说。
土星有为数众多的卫星。精确的数量尚不能确定，所有在环上的大冰块理论上来说都是卫星，而且要区分出是环上的大颗粒还是小卫星是很困难的。到2009年已经确认的卫星有62颗，到2019年已经确认的卫星有82颗，其中53颗已经有了正式的名称，29颗仍然未被命名。还另外3颗卫星可能是环上尘埃的聚集体而未能确认。此外，有证据表明，土星环中有数十至数百个直径为40-500米的小卫星， 不被认为是真正的卫星。从理论上来说，所有在环上的大冰块都是卫星，但要区分出是环上的大冰块还是小卫星是很困难的。许多卫星都非常的小，34颗的直径小于10千米，另外13颗的直径小于50千米，只有7颗有足够的质量能够以自身的重力达到流体静力平衡。
土星有一个显著的环系统，主要的成分是冰的微粒和较少数的岩石残骸以及尘土已经确认的土星的卫星有62颗，其中9个是1900年以前发现的。土卫六是土星系统中最大和太阳系中第二大的卫星（半径2575千米）（太阳系最大的卫星是木星的木卫三半径2634千米），比行星中的水星还要大；而且土卫六是太阳系仅有的拥有明显大气层的卫星。最先发现的前九颗卫星按距离土星由近到远排列为：土卫一、土卫二、土卫三、土卫四、土卫五、土卫六、土卫七、土卫八、土卫九。但土卫十比土卫一更靠近土星，离土星的距离只有159500千米，仅为土星赤道半径的2.66倍，已接近洛希极限。这些卫星在土星赤道平面附近以近圆轨道绕土星转动。
1980年，当旅行者号探测器飞过土星时，在原有的九颗卫星（土卫一到土卫九）基础上，又发现了八颗新的卫星。但是很难说土星究竟有多少卫星。一些组成土星光环的较大的粒子实际上也许就是小卫星。土星在太阳系中拥有的卫星最多。跟木星卫星不一样，土星卫星不能简单地以成分和密度归类划分。“旅行者号”所发现的卫星显示出复杂多样的特征。
天文学家从旅行者号探测器发回的资料发现，除土卫六外，土星的其他卫星都比较小，在寒冷的表面上都有陨击的疤痕，像破碎了的蛋壳。土卫一表面上有一个直径达128千米的赫歇尔陨石坑；土卫二有着荒凉的平原、陨石坑和断皱的山脊，它的不同区域代表着不同的历史时期；土卫三上有一个又深又宽，长约800千米的裂谷；土卫四表面有稀疏而明亮的条纹，它们都环绕着陨石坑。
2019年10月，国际天文联合会小行星中心宣布，研究人员在土星周围新发现20颗卫星。这20颗新发现的土星卫星每颗直径仅约5千米，其中17颗是逆行卫星，即绕土星运转方向与土星自转方向相反；另3颗为顺行卫星。它们都属于距土星较远的外层卫星，其中一颗逆行卫星是迄今已知距土星最远的卫星。依照轨道倾角的不同，土星的外层卫星被划分为诺尔斯群、高卢群和因纽特群。新发现的卫星中，有两颗顺行卫星被归入因纽特群，研究人员认为这两颗卫星与该群其他成员一样，都是由一颗大卫星在遥远的过去分裂而成。17颗逆行卫星被划入诺尔斯群，它们可能也曾同属于一颗更大的卫星。还有一颗顺行卫星轨道倾角与高卢群卫星相似，但其轨道半径比包括高卢群成员在内的其他顺行卫星都大得多。
在史前时代就已经知道土星的存在，在古代，它是除了地球之外已知的五颗行星中最远的一颗，并且有与其特性相符的各式各样的神话。在古罗马神话中它是农神，从这颗行星所采用的名字，它是农业和收获的神祇。罗马人认为他与希腊神克洛诺斯，希腊人认为最外层的行星是神圣的克洛诺斯，而罗马人也承袭这个传统。
在印度占星学，有9个占星用的天体，像是著名的纳瓦格拉哈历（Navagraha，梵文：नवग्रह），土星是其中之一称为“Sani”或“Shani”，法官在众行星之中，由大家共同评判各自的行为是好或是坏。古代的中国和日本文化依据中国的五行之说选定这颗行星是土星，是在传统上用于自然分类的元素之一。在古希伯来语，土星称为“Shabbathai”，它的天使是卡西尔（Cassiel），意思是智慧之神或有益于身心的；是Agiel（精灵），它更为黑暗的一面就是恶魔（lzaz）。在奥图曼土耳其使用的乌尔都语和马来语，它的名称是“Zuhal”，是从阿拉伯文زحل转化过来的，
使用口径1.5厘米的望远镜就能看见土星环，但直到1610年伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）用望远镜看了才知道它的存在。他虽然起初认为是在土星两侧的卫星，直到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）使用倍数更高的望远镜才看清楚并认为是环。惠更斯也发现了土星的卫星土卫六。不久之后，卡西尼发现了另外4颗卫星：土卫八、土卫五、土卫三和土卫四。在1675年，乔凡尼·多美尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）发现了著名的卡西尼缝。之后一段时间都没有进一步的有意义发现，直到1789年威廉·赫歇尔（Willim Herschel）才再发现两颗卫星：土卫一和土卫二。形状不规则的土卫七和土卫六有着共振，是在1848年被威廉·拉塞尔（William Lassell）发现的。在1899年，威廉·亨利·皮克林（William Henry Pickering）发现土卫九，一颗极度不规则卫星，它没有如同更大卫星般的同步转动。土卫九是第一颗被发现的这种卫星，它以周期超过一年的逆行轨道绕着土星公转。在20世纪初期，对土卫六的研究在1944年确认它有浓厚的大气层——这是在太阳系的卫星中很独特的特征。
说到太阳系里的八大行星，大多数人的脑海里，第一个浮现的行星或许就是土星了。无可否认，土星的显著光环是八大行星里仅有，使用一般的天文望远镜就能轻易看见了，其他行星的光环，犹如小巫见大巫，相比土星光环十分不起眼。土星最吸引人的地方，莫过于那漂亮的光环，犹如天使头上的光环那样，耀眼夺目。有天文望远镜的读者们，无论你的望远镜大或小，依然可见其光环。如果天气好的话，不妨把望远镜拿出来观测下土星，2013年的土星环倾斜角度，个人觉得是恰到好处的，整个土星看起来就很漂亮（个人喜好而已）。在接下来的4年里，土星环的倾斜角度会继续增加，直到2017年，土星环增开角度最大，届时土星的整体亮度也会增加。
土星是肉眼可见的五颗行星中距离最远的一颗，其他四颗是水星、金星、火星和木星（天王星和灶神星在黑暗的环境下也能用肉眼看见），并且直到1781年发现天王星之前，是早期的天文学家所知道的最后一颗行星。以肉眼在夜晚看见的土星是一颗明亮的，发出淡黄色光芒的光点，光度通常在 1至0等之间，以29½年的周期在黄道上以黄道带的众星作为背景，绕行天球一周。多数人借助于光学仪器（大的双筒镜或望远镜）的协助，以20倍以上的倍数，就能清楚的看见土星环。土星是外行星，在合日（视觉上接近太阳）前后两个月以外，其他时间也适合观测。而跟外行星的性质一样当冲日时是观测土星最好时候，因为土星冲日时，土星最亮（约0等）之余视直径（角直径）也最大而且冲日前后整夜可见。通过三英寸口径（物镜直径）或以上的望远镜，以目镜放大80倍以上便能透过它清楚看见土星及土星环，在大气稳定时（放大100倍以上）还能看到卡西尼环缝。土星在天空中可见的大部分时间，都是值得鼓励大家观赏的目标。在接近冲（行星的位置在离日度180°之处，也就是在天空中与太阳相对的方向上）的前后时段是观赏土星和土星环的最佳时段。土星在2002年12月17日冲日的时亮度最大，因为土星环以最有利的角度朝向地球。
为了探测太阳系外围空间的物理情况，1973年4月先驱者11号发射，1979年9月1日飞临土星，成为第一个就近探测土星的人造天体。先驱者11号发现土星有一个由电离氢构成的广延电离层，其高层温度约为977℃。观测结果表明，土星极区有极光。先驱者11号飞船于1979年8月、9月在距土星128万千米处发现，土星磁场十分特殊，磁场图很像一条大鲸鱼，其头部圆钝，两边伸出扁形翅，还有粗壮的尾巴。土星磁场的磁轴与其自转轴吻合，磁心偏离土星核心22.5千米。磁场范围比地球的磁场范围大上千倍，但比木星磁场小，也没有木星磁场复杂。
旅行者1号、2号在考察完木星后，继续驶向土星，对土星进行考察。完成考察土星的任务后，旅行者2号又继续飞向天王星和海王星，对它们进行考察。这些“一身多任”的宇宙飞船，为我们带来了土星的新消息。美国国立光学天文台的科学家们在研究“旅行者”2号发回的土星照片时，发现了一个奇怪的现象：在土星的北极上空有个六角形的云团。这个云团以北极点为中心，并按照土星自转的速度旋转。土星北极的六角形云团并不是旅行者2号直接拍到，因为“旅行者”2号并没有直接飞越土星北极上空。但它在土星周围绕行时，从各个角度拍下了土星照片。天文学家们把那些照片合成以后，才看清了土星北极上空的全貌，也才发现了那个六角形云团。土星北极上空六角形云团的出现，促使科学家们不得不重新认识土星，NASA推测其成因与土星的气候有关。
卡西尼号是卡西尼—惠更斯号的一个组成部分。卡西尼—惠更斯号是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局的一个合作项目，主要任务是对土星系进行空间探测。卡西尼号探测器以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察，
卡西尼号太空探测器在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后，已于北京时间2004年7月1日12时12分按计划顺利进入环绕土星转动的轨道，开始计划对土星大气、光环和卫星进行历时4年的科学考察（实际上持续了13年之久）。将近距离地纵览土星全貌，对土星和它众多的卫星进行全面考察。
卡西尼号从2004年1月起，就开始拍摄土星家族全面、完整的照片和电影。卡西尼号携带的照相机，比哈勃太空望远镜上的同类照相机性能更好。在临近入轨之前，2004年6月11日，它对土卫九进行了探测，拍摄了这颗卫星极其清晰的照片。土卫九是土星距离最远的一颗卫星，半径110千米，科学家猜想它是被土星俘获的一颗小行星。“卡西尼号”在离开它2000千米处经过对它的质量和密度进行了测量，
2005年2月17日，卡西尼号在离开土卫二1179千米处经过，而同年3月9日，距离更近到499千米。土卫二半径250千米表面非常明亮，几乎能反射百分之百的阳光。科学家怀疑它的表面是光滑的冰层，卡西尼号探测它的磁场以判断它的表层下面是否有含盐分的水存在。2005年4～9月，卡西尼号的轨道将从土星赤道面改变到与这一平面成22度夹角，居高临下对土星光环和大气进行测量，进一步探测光环结构、组成光环的物质粒子和土星大气物理特性。2005年9～11月，卡西尼号将逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三，分别对它们进行观测。土卫四半径560千米土卫五半径870千米，它们的外表很像我们的月亮，密布环形山。土卫七位于土卫六与土卫八之间形状不规则最长处直径175千米，很像一颗小行星。土卫三半径530千米，密度和水一样，很可能是一个冰球。
2006年7月到2007年7月，卡西尼号将系统地监视和拍摄土星、土星光环、土星磁层的图像。2007年7～9月它将再次拍摄土星及其家族的电影，并在9月10日到离开土卫八约1000千米处对土卫八进行观测。土卫八半径为720千米其表面一面颜色很暗，另一面却接近白色，很为奇特。2007年10月到2008年7月，卡西尼号将逐步地进一步增大轨道与土星赤道平面的夹角，最后达到75.6度这样卡西尼号就能更好地观测土星的光环，测量远离土星赤道平面处的磁场和粒子、监视土星的两极地区和观测土星极光现象。其间，在2007年12月3日和2008年3月12日，两次接近土卫十一，分别在离开土卫十一6190千米和995千米处对这颗卫星进行观测。2017年9月15日，已经在太空工作20年的卡西尼号探测器在受控情况下，于土星大气层中坠毁。
将于2026年发射蜻蜓号（Dragonfly）着陆器前往土星最大卫星——土卫六（Titan）。蜻蜓号将对土卫六进行全方位探查，研究生命的起源以及该星球是否能够维持微生物生命。NASA在其官网声明中称，蜻蜓号是一架双四轴无人飞行器，拟于2026年年发射，2034年抵达土卫六。蜻蜓号将探索土卫六这个冰冷世界的几十个地点，采样和测量土卫六表面有机物质的组成，以表征土卫六环境的可居住性，并调查生命起源化学的进展。这也将是NASA首次在另一个星球使用多旋翼飞行器进行科学研究。
土星是密度最小的行星，拥有最多的卫星，发生过最高的风眼墙、持续时间最长的闪电暴。土星周围宽阔的环系也是太阳系中最大的环系。（吉尼斯世界纪录）
