Il primo veicolo ad esplorare Saturno fu il Pioneer 11 nel 1979. La prima sorpresa fu la scoperta di un nuovo anello esterno denominato F e, poco più distante, la presenza di un nuovo satellite denominato 1980 S1 (Janus).
Le prime misure della strumentazione di bordo della sonda riguardarono la magnetosfera di Saturno. Tra le altre sue maggiori scoperte si annovera la misurazione del campo magnetico di Saturno (circa uguale a quello terrestre). In seguito il Pioneer 11 attraversò il piano degli anelli ad una distanza di soli 38000 km dal bordo esterno dell'anello F.
L'esplorazione del pianeta fu proseguita dalle due missioni Voyager. Il Voyager 1 arrivò vicino a Saturno grazie alla maggiore accelerazione ottenuta seguendo una traiettoria più vicina a Giove ed utilizzando il rilancio per effetto "fionda gravitazionale" per essere proiettato verso Urano. Il 12 novembre del 1979 la sonda passò alla distanza minima di 64200 km compiendo prima una ricognizione di alcuni dei numerosi satelliti del pianeta. Le maggiori sorprese riguardarono gli anelli che si rivelarono un sistema molto più complesso di quello immaginato dai planetologi.
Voyager 2 arrivò in vista dell'emisfero settentrionale di Saturno il 15 agosto del 1981 e sorvolò il tetto di nubi del pianeta da una quota di 41000 km. Quando la sonda però riemerse da dietro Saturno inviò immagini perfettamente esposte ma di spazio nero. Al Jet Propulsion Laboratory JPL ci si rese conto che la piattaforma sulla quale erano montati gli strumenti e le telecamere si era bloccata. Dopo due giorni e mezzo di tentativi si riuscì a sbloccare la piattaforma e la sonda potè inviare a terra stupende immagini del pianeta, dei suoi satelliti e del sistema di anelli.
Si dovettero a questo punto affrontare altre difficoltà ma questa volta di natura politica. Infatti la nuova amministrazione di Washington era intenzionata a chiudere il bilancio della NASA. Si riuscì però ad impedire la chiusura del progetto ed anzi ad estenderlo agli altri pianeti esterni. Nacque così la Extended Voyager Mission che proseguì nella sua esplorazione verso Urano e Nettuno.