最早对土星进行过探测的是旅行者1号和紧随其后的旅行者2号，分别于1980年11月和1981年8月掠过土星。第一个真正对土星进行探测的是先驱者11号。除了下面的这些探测器外，还有其它的探测器掠过土星。
旅行者1号于1980年11月掠过土星，于11月12日最接近土星，距离土星最高云层124,000公里(77,000英里)以内。航天器探测到土星环的复杂结构，并且对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层，喷气推进实验室的控制人员最终决定了让旅行者1号驶近土卫六以进行研究，并随之终止了它继续探访其余两颗行星。结果造访天王星和海王星的任务只得交予旅行者2号。这次靠近土卫六的决定使航天器受到了额外的引力影响，最终使航天器离开了黄道，终止了它的探索行星任务。
旅行者2号在1981年8月25日最接近土星。当航天器处于土星后方时（相对地球而言），它以雷达对土星的大气层上部进行探测，并量度了气温及密度等资料。旅行者2号发现高层位置（气压相当于7百帕时）的气温为70K（−203 °C），而在低层位置（气压相当于120百帕）则量度出143K（−130 °C）。北极会多冷10K，但仍会出现季节性变化。
先锋11号（先驱都11号）是人类首次进行的土星探测任务，它于1979年9月接近土星，并从土星云层顶端上方20,000公里的地区通过。先锋11号也拍摄到土星与一些卫星的低解析照片，这些照片不足以分辨出表面的特征。先锋11号也研究了土星环，发现F环，也得知环带中间的黑暗隙缝并非没有任何物质存在的，当它朝向太阳时会发出光芒。先锋11号也测出土卫六的表面温度为250K。
航海家计划
航海家1号于1980年11月进入土星系统，并首次传回土星、环带与卫星的高解析照片。人类也首次见到这些卫星多变化的表面特征。因为早期的探测发现土卫六拥有浓厚的大气层，所以喷气推进实验室选择由航海家1号来接近土卫六。这也大幅增加人类对于土卫六大气层的认识，但也证实它的大气层是可见光无法穿过的，所以无法研究表面状况。这次探测也改变航海家1号的轨道，并让它因此离开太阳系。
几乎在航海家1号抵达土星的一年后，航海家2号也在1981年8月抵达土星进行探测。更多卫星表面的细节被发现，也得知环带变化的过程。航海家2号使用雷达来探测土星大气层的温度与密度，并发现在压力7,000帕斯卡的地区，温度为摄氏−203度；而在120,000帕斯卡的地区，温度为摄氏−130度。北极地区的温度低10度，虽然这可能是季节性的。不幸的是，航海家2号在探测期间照相机平台发生故障，所以造成一些环带照片遗失。土星的重力也让航海家2号可以前往天王星。。
航海家2号也在环带附近与内侧发现一些新的卫星，也发现马克士威缝与科伦坡缝的存在。
“卡西尼－惠更斯”计划是一个由美国国家航天局、欧洲航天局和意大利航天局三方合作的对土星进行空间探测的科研项目。卡西尼土星探测器由美国国家航天局负责建造，以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名；惠更斯探测器以荷兰物理学家、天文学家和数学家惠更斯的名字命名，由法国阿尔卡特空间公司负责制造，属于欧洲航天局所有。
　　1997年10月15日，搭载着惠更斯的卡西尼探测器离开地球，开始了漫长的土星探测之旅。　　2004年7月1日，在太空旅行了7年后，卡西尼探测器进入土星轨道，正式开始其为期4年的土星探测使命，将对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察。
　　2004年12月25日凌晨，欧洲“惠更斯”号探测器于脱离位于环土星轨道的美国“卡西尼”号飞船，飞向土星最大的一颗卫星土卫六。
　　2005年1月14日，抵达土卫六上空1270公里的目标位置，同时开启自身的降落程序，穿越土卫六的大气层，成功登陆土卫六。
现在它仍然在进行延长任务中。