于是，科学家巧妙地为“卡西尼”号设计了借助金星、地球和木星之间的引力，接力加速奔向土星的旅程。这样一来，“卡西尼”号的行程将增加到32亿千米，历时7年。1998年4月，“卡西尼”号绕过金星，在金星引力的作用下，加速并改变方向；1999年6月，它再次飞过金星，利用金星引力进一步加速，向地球奔来；1999年8月，“卡西尼”号掠过地球，借助地球引力加速飞向木星；2001年1月，“卡西尼”号从木星那里进行最后一次借力加速后，直奔土星。两次金星借力，一次地球借力，一次木星借力，这样的飞行轨道安排就是著名的“VVEJ飞行”，这里的“V”、“E”、“J”分别是金星、地球、木星英文单词的首写字母。“VVEJ飞行”可以使“卡西尼”号的土星之旅节省77吨燃料，这相当于“卡西尼”号总质量的10倍。
1997年10月15日，美国肯尼迪航天中心，探测器“卡西尼”号由“大力神-4B”火箭托举，呼啸着向太空飞去，开始了历时7年、行程35亿千米的土星之旅。
在此之前，“先驱者11”号和“旅行者1”号和“2”号曾于20世纪70年代和80年代在土星附近飞过，它们拍到了土星表面及土星环的情况。“哈勃”望远镜也提供过出色的土星图像。但它们都只是浮光掠影，对土星没有细致地进行考察，更未能揭示出人们最感兴趣的土星卫星6云层下的世界。因此，美国宇航局与欧空局和意大利航天局联手，研制了这艘迄今最大、最先进的行星际探测器，“卡西尼”号抵达土星并且将之命名为“卡西尼”号，以纪念发现了土星环之间最宽黑缝的天文学家卡西尼。
“卡西尼”号高约2层楼，直径约27米，总重6吨，比昔日辉煌的“旅行者”号探测器重2～3倍。它由轨道器和“惠更斯”子探测器组成，上面共有18台科学仪器，其中轨道器上12台，子探测器上6台。这些仪器包括可提供50万张土星、土星环及土星卫星照片的照相设备，可透过土星卫星6大气层的扫描雷达，监视土星大气和土星风的监测器“卡西尼”无人驾驶太空船在土星环外侧几乎与其在同一平面时拍摄的图像，以及磁场探测器和宇宙尘埃探测器等。
2004年7月，“卡西尼”号抵达土星轨道后，轨道器将环绕土星考察4年，总共将飞行74圈，并有45次飞近土星卫星6。而几个月后“惠更斯”探测器从轨道器分离出去，进入土星卫星6进行探测。“惠更斯”子探测器是一个直径27米的碟形物体，质量为343千克，它利用降落伞在土星卫星6表面着陆。在25小时的降落过程中，将用所带仪器分析土星卫星6大气成分，测量风速和探测大气层内的悬浮粒子，并在着陆后维持工作状态1小时。所搜集到的数据及拍摄的图片将通过“卡西尼”轨道器传送回地球。
“卡西尼”号宇宙飞船飞过
“泰坦”时拍摄的由于路途迢迢，“卡西尼”探测器携带的主燃料罐装有3000千克的燃料，以满足两台二元推进主发动机的需要，另有142千克的燃料供给16个小型反作用力推进器。这些小推进器用于控制航天器的飞行方向和微调飞行路线。另外，“卡西尼”号需考察土星4年，为了保证各种科学仪器的能量供给，“卡西尼”号上还载有327千克的钚-238核燃料，是迄今携带核燃料最多的航天器。因为钚-238具有高放射性，许多科学家曾担心一旦发射失败，它会对地面造成严重的核污染。
“卡西尼”号土星探测器上实现了环绕土星运行轨道飞行的计划，并发回了一组关于土卫6“泰坦”号的最新、最清晰的照片。科学家们对此进行了研究。
科学家们发现，除了一片特别炫目的云外，“泰坦”号的天空几乎没有一丝云的痕迹。这片特别炫目的云面积跟美国的亚利桑那州大小差不多，位于“泰坦”号的南极，在土星的夏季，这里一天都可以得到光线的照射。这块罕见的云需要四五个小时才能形成，类似于地球上夏季出现的堆积云。但“泰坦”号上的云层主要由甲烷组成，而不是主要水组成。
“卡西尼”号探测器还通过分光计拍到了“泰坦”号的一些照片，分光计的波长从可见到红外线光不等。照片显示，土星卫星6表面到处分布着冰块和碳氢化合物。
科学家们还发现，位于土星光环之间的“卡西尼缝”充满了灰尘，这是迄今所发现的土星的最外层光环。就是这层光环，每秒可引发680次土星物质间的碰撞，也就是说，每秒可给土星留下10万个左右的大小土坑。
土星光环
土星的外表犹如一顶草帽，在圆球形的星体周围有一圈很宽的“帽檐”，那就是土星光环，又称土星环。土星光环由无数形状、大小不等，直径在76厘米～9米的冰块组成。土星光环以很快的速度围绕土星运转，在太阳光的照耀下呈现出各种颜色，其直径可达27万千米，厚度为10千米左右。根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度最暗；其次是C环，透明度最高；B环最亮；最后是A环。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是E环，十分稀薄和宽广。
“伽利略”号对木星的探测
木星是太阳系中最大的一颗行星，其质量相当于地球的317倍，其体积为地球的1316倍。木星自转一周仅需10小时，而环绕太阳公转一周大约需要12年，数百年来人类一直关注着木星，长期的观测使人们对木星有了一些初步了解：如木星是个椭球体，其表面有与赤道平行的或明或暗的条纹，没有高山和陆地，只是液态氢的“海洋”；环绕木星有光环，但远不如土星那样美丽；在木星周围有4颗大的卫星等等。尽管如此，还是有许多疑点得不到解答，如云为什么是黄色的？木星大气层的成分是什么？木星雷电的成因是否与地球雷电的成因相同？作为行星的木星为什么会从其内部发出能量？著名的木星大红斑的本质是什么？为什么木星卫星1有那么活跃的火山爆发？
为了使人类进一步了解木星，近几十年来人类已向木星发射了“先驱者10”号（1973年）、“先驱者11”号（1974年）、“旅行者1”号和“旅行者2”号（1979年）共4颗航天器。它们从木星周围飞过，考察了木星和它的卫星，发回了许多宝贵的图像和测量资料。但由于木星大气层的掩盖，有关它的许多问题仍是个谜。要想回答这些问题，必须进入木星大气层内进行探测。为了对木星有更深入的了解，获得更丰富的资料，美国宇航局（NASA）研制了更先进的“伽利略”探测器，它由轨道飞行器和木星大气探测器两大部分组成。
耗费135亿美元的“伽利略”号探测器计划开始于1977年，经过12年的开发研制，终于在1989年10月由“亚特兰蒂斯”号航天飞机将“伽利略”号探测器送入太空。“伽利略”号探测器在到达木星前对其他星球进行了大量的探测活动。包括对地球和月球的大量探测。按原计划，该探测器将直接飞往木星，行程只需两年，后来因故改变了计划。“伽利略”号探测器离开地球后，首先向太阳飞去，1990年与金星相遇，被加速后沿更大的绕日轨道飞行，同年12月首次飞过地球，受地球重力影响，其飞行速度增加到14万千米／小时以上。在这期间，“伽利略”号探测器拍摄了金星、地球、月球的图像。在随后飞往木星的途中，于1991年10月和1993年8月分别从95号小行星“伽斯帕拉”和243号小行星“艾达”附近飞过，距离“伽斯帕拉”星是1800千米，距离“艾达”星是2400千米，首次取得小行星的特写图像，并发现小行星“艾达”也有自己的卫星。1994年7月，“伽利略”号探测器直接观测了“苏梅由航天飞机组装中的“伽利略”号探测飞船克—列维9”号彗星撞击木星的情况，并把它记录了下来。1995年1月，“伽利略”号探测器发回了完整的“苏梅克—列维9”号彗星的观测图像，其中包括W碎片冲击的部分时序图像，这一冲击持续了26秒。地面工作人员还收到了从光偏振辐射仪、红外测试仪、紫外测试仪得到的R碎片冲击数据，并对此加以了分析。
“伽利略”号探测器在经过大约36亿千米和长达6年多的空间旅行后，于1995年7月到达木星轨道，随后释放的木星大气探测器以预定的角度进入木星大气层，顺利完成了飞向木星的艰难任务，同时，轨道飞行器开始了对木星为期两年的探测活动。
“伽利略”号探测器向木星发射的木星大气探测器重339千克，于1995年12月7日飞进环境恶劣、飞速旋转的木星大气层，执行一次有去无回的探测任务，首次实现了人类对外太阳系大行星的实地大气测量。木星大气探测器以高于每小时170000千米的速度冲入木星大气层，减速度力相当于地球重力强度的230倍。在减速过程中，一个热防护罩保护了探测器的科学仪器，其后，一个巨大的降落伞打开以保障探测器缓慢而受控下降。虽然大气探测器在木星云端下方130～160千米运行，但仅能探测到木星大气层上部很小一部分。该探测器的任务是探测稀薄而炽热的大气层的1／5。在木星大气层更深处，温度和压力变化太大，影响仪器的正常工作。在130千米的深处，大气压力超过地球压力的20倍，尽管仪器设计得很先进，但不得不向恶劣环境屈服。美国宇航局证实，该探测器在向“伽利略”号宇宙飞船发回的木卫1木星大气层内下降约640千米，在被20倍于地球大气压力的木星大气压力摧毁之前，向地球传送了大约57分钟的数据（比预计的时间缩短了18分钟）。首先它把获得的数据传送到位于其上方20多万千米的轨道飞行器上储存，然后传送回地球。与此同时，轨道飞行器已进入环绕木星的椭圆轨道。
美国宇航局的科学家们在1995年12月10日收到“伽利略”号轨道飞行器从37亿千米以外的太空发回的第一批木星数据，使人类第一次有机会看到庞大的木星的特写照片。科学家们根据发回的数据首次测定这颗巨大星球的大气层特性，如大气构成、气候和大气形式等。“伽利略”号轨道飞行器第一次向地球发回总共57分钟的探测数据，这些数据的传输一直持续到1995年12月13日。57分钟的数据，地面接收站直到1996年2月才全部收回。
“伽利略”号飞船向木星释放
一个探测器经过对“伽利略”号轨道飞行器发回的最初数据进行的初步分析表明，木星大气结构与过去科学家们预想的有很大不同，它已经提供了一系列新的发现，这些最初的发现正在促使科学家们重新考虑他们的木星形成理论和行星演变过程的特性。这些新发现包括：
（1）探测器经过的木星大气层区域比预想的要干燥，与1979年从木星飞过的“旅行者”号航天器发回的数据所作的推测相比，水含量要少得多。
（2）探测器的仪器发现，虽然个别雷电的能量比地球上类似的雷电能量大10倍，但总的来说，在木星上的雷电量是地球上同样大小区域发生雷电量的1／10。
（3）探测器对木星南端的大气层进行了探测，并未发现多数研究者一直认定的三层云结构，而仅仅是有一个特殊的云层（按地球的标准说就是稀薄的云层）被观察到。该云层可能是含氨和硫化氢的云层。过去曾推测它由三个云层组成，上层是氨晶体层、中层是氨和硫化氢层、下层是水和冰的晶体组成的薄层。
（4）最有意义的是，在木星大气层中氦和氢的含量比例已和太阳相当，这说明，自木星数十亿年前形成以来，基本成分没有改变。在行星演化理论中，氦与氢质量之比是一个关键要素。对太阳而言，氦值约为25％，对探测器氦含量监测仪得到的结果进行的更全面的分析，已经把木星的这一数值提高到24％。“伽利略”号探测器项目科学家里查德·扬说，被改变的氦含量意味着，重力引起的朝向内部的氦沉积并不像在土星上发生的那样快。对土星氦氢质量比的估计值为6％，于是可以确定，木星的温度比土星的温度要高得多。
（5）木星大气探测器在穿过稠密的木星大气层时探测到极强的风和强烈的湍流，木星风的位置始终比探测到的云层要低得多。这就为科学家们提供了证据，说明驱动木星大量的有特色的环流现象的能源可能来自这颗行星内部释放的热流，而不是像过去预想的是照射木星上层大气的阳光，或者是位于木星大气层中部的水蒸气引起的化学反应产生的热能。据科学家分析，在木星上，天气的影响范围也许不上在木星表面，在热力驱动下，风从这颗行星的云端一直刮到它充满气体、翻滚搅动的表面下16000千米处。木星风即使在云层下161千米处（这是探测器所能探测的最深处）速度也超过每小时644千米。
（6）探测器还发现了一个新的强辐射带，大约在木星云层上方5万多千米没有雷电的地方。在探测器高速进入木星大气层阶段，对大气层上部进行的测量结果显示，大气密度比期望的要大，相应的温度也比预先估计的要高。
“伽利略”号轨道飞行器于1997年12月7日向地球发回最后的信号，然后飞进木星大气层烧毁，而“伽利略”号探测器也于2003年9月按程序坠毁在木星。