Promjer od 5.150 kilometara, Titan je najveća Saturnova obitelj luna; čak je veća od planeta Merkura ili Plutona. Ima atmosferu narančasto žutog smoga sastavljenog većinom od dušika s obiljem ugljikovodičnih organskih spojeva, uključujući metan; iako, čini se da ima vrlo malo oblaka. 26. listopada Cassini je prošao blizu Titana otkrivši prvi pogled na Mjesečevu čudnu površinu. Otkrio je hrapav, ali ravni krajolik s nekoliko kratera, što znači da planet mora biti geološki aktivan. Tajanstveni masni tokovi kriogenih leda lepršaju po površini. Planetarni znanstvenici bili su oduševljeni dosadašnjim rezultatima.
Titan je hladan. Njegova temperatura na površini je -180? C - previše hladno za tekuću vodu, a ipak je blizu trostruke točke metana, gdje taj ugljikovodični plin može postojati u sva tri fizička stanja na njegovoj površini: kruti led, tekući ili plinoviti.
Cassini je svoj ultraljubičasti spektrograf (UVIS) okrenuo prema zvijezdi Špici (Alpha Virginis), zatim Lambdi Scorpi i sljedećih 8 sati promatrao zvijezde kako su bile zamračene Titanovom atmosferom. Ovaj se osjetljivi instrument razlikuje od ostalih vrsta spektrometra jer može uzimati i spektralna i prostorna očitanja. Posebno je vješt u određivanju sastava plinova. Prostorna promatranja daju pogled široko-uskom, visok je samo jedan piksel i 60 piksela. Spektralna dimenzija je 1.024 piksela po prostornom pikselu. Pored toga, može snimiti toliko slika da može stvoriti filmove kako bi prikazao načine na koji se ovaj materijal premješta drugim silama. To je osiguralo vertikalni profil glavnih sastojaka atmosferskih slojeva koji imaju temperaturni profil sličan Zemlji.
Bliski pristup dogodio se prije nego što je Cassini prošao kroz Saturnov prstenasti zrakoplov i vratio neke od najboljih slika iz krugovnog sustava do danas. Tada je Cassini počeo upotrebljavati svoj radar za mapiranje dijela Titovog površinskog terena pod malim kutom solarne faze. Eksperiment je tražio znakove vrućih točaka na mjesečevoj površini koji bi ukazivali na prisutnost aktivnih krio-vulkana, pa čak i osvjetljenja u Titanovoj atmosferi.
Huygenska zemljana sonda od 2,6 metara odvojit će se od matičnog broda na Badnjak, putujući prema Titanu i ući u mjesečinu atmosferu 14. siječnja. Veliki dio Huygensove znanosti odvijat će se tijekom njezina atmosferskog pristojnosti, koje će se prenijeti na Cassini, a zatim prenijeti natrag na Zemlje čekajuće znanstvenike i medije. Ako Huygens stvarno uspije sletjeti na Titan, to će biti glavni bonus za misiju.
Huygens će pokušati utvrditi podrijetlo Titanove molekularne dušikove atmosfere. Planetarni znanstvenici žele odgovoriti na pitanje: "Je li Titanova atmosfera iskonska (akumulirana kako se formirao Titan) ili se prvobitno prikupljala kao amonijak, koji se nakon toga razgradio, stvarajući dušik i vodik?"
Ako je dušik iz solarne maglice (iz kojega je nastao naš Sunčev sustav) bio izvor dušika na Titanu, tada treba sačuvati odnos argona i dušika u solarnoj maglici. Takav nalaz bi značio da smo uistinu pronašli uzorak "izvornih" planetarnih atmosfera našeg Sunčevog sustava
Huygens će također pokušati otkriti munje na Titanu. Prostrana atmosfera Titana može ugostiti električne oluje i munje poput Zemlje. Iako do sada nisu zabilježeni dokazi o munje na Titanu, misija Cassini Huygens pruža priliku da se utvrdi postoji li takva munja. Osim vizualnog traženja munje, proučavanje plazma valova u blizini Titana može ponuditi drugu metodu. Munja ispušta široki pojas elektromagnetske emisije, čiji se dio može širiti duž linija magnetskog polja kao emisija zvižduka.
Znanstveni dopisnik Richard Pearson