Výskum sondami Titan bol skúmaný sondami Pioneer 11, Voyager 1 a Voyager 2. Všetky tri menované sondy ale okolo neho len preleteli a navyše nedokázali so svojimi prístrojmi preniknúť cez jeho atmosféru. Cassini-Huygens V rokoch 2004-2017 prebiehal výskum prostredníctvom misie Cassini-Huygens. Cassini bola sonda na obežnej dráhe okolo Saturna a Huygens je pristávacie puzdro, ktoré priletelo k Saturnu v spojení so sondou Cassini. Jeho úlohou bolo pristáť na povrchu Titanu. Sonda Cassini zostala obiehať okolo Saturna, ale počas misie mnohokrát blízko preletela okolo tohto mesiaca. Zaznamenávala sezónne zmeny na Titane počas celého jeho "polroka" odvodeného od obežnej doby Saturna okolo Slnka (30 rokov). Študovala postupnú premenu mesiaca od zimy na jeho severnej pologuli až po jej leto. Prieskum v rokoch 2004 – 2005 Sonda Cassini bola navedená na obežnú dráhu Saturna 1. júla 2004 a 2. júla sa sonda po prvýkrát priblížila k Titanu. Preletela okolo neho vo vzdialenosti , neskôr však absolvovala množstvo ďalších a tesnejších priblížení. 26. októbra minula sonda Cassini mesiac vo vzdialenosti . Na Zem prišli prvé detailné snímky, spektrá a radarové údaje. 19. novembra sa uskutočnila kontrola pripravenosti na uvoľnenie puzdra Huygens, ktoré sa malo odpojiť od sondy a samostatne pristáť na povrchu mesiaca. 23. novembra prebehla posledná previerka puzdra Huygens. 13. decembra sa uskutočnil ďalší prelet okolo Titanu s najväčším priblížením . Súbor:Titansurface-2-hi-1-.jpg|vľavo|náhľad|Umelecká predstava o pristávaní sondy Huygens na povrchu Titanu Dňa 25. decembra 2004 sa od sondy Cassini oddelila sonda Huygens. Modul začal trojtýždňovú samostatnú cestu. 28. decembra sonda Cassini previedla úhybný manéver, ktorý jej zaistil tretí prelet okolo Titanu, tentoraz vo vzdialenosti . V piatok 14. januára 2005 na povrchu Titanu hladko pristála sonda Huygens. Ide o dosiaľ najvzdialenejšie pristátie umelej sondy v dejinách, operácia prebiehala takmer 10 astronomických jednotiek od Zeme. Prvá snímka z Huygensu zachytávajúca krajinu z výšky asi , na ktorej vyniká sústava tmavých kľukatých kaňonov pripomínajúcich riečne meandre, bola predstavená ešte v deň pristátia. Počas preletu 15. februára 2005, kedy sonda Cassini minula Titan vo vzdialenosti , kamery sondy a ďalšie vedecké prístroje začali jeho podrobný výskum. Na získaných snímkach boli po prvýkrát objavené impaktné krátery na Titane. Počas štvrtého cieleného preletu (kvôli ktorému sa upravovala dráha sondy) sa vykonávalo meranie vyžarovania ovzdušia v emisných čiarach dusíka a uhlíka, získavali sa ďalšie detailné snímky povrchových útvarov, prístroj VIMS pozoroval vývoj oblačnosti a ďalších prechodných javov, skúmali sa parametre plazmy v okolí mesiaca, elektrónová teplota, interakcia medzi magnetosférou a ionosférou a hľadali sa búrkové javy. 16. apríla 2005 bol po prvýkrát použitý spektrometer INMS, ktorý zmeral hustotu neutrálnych častíc a iónov atmosféry Titanu počas piateho cieleného preletu sondy. 22. augusta sonda absolvovala ďalší cielený prelet, počas ktorého sa podarilo získať údaje o teplote, tlaku a obsahu aerosólov v jeho atmosfére. Ďalšie merania v priebehu stretnutia vykonával magnetometer MAG, kamery ISS – snímkovanie južnej oblasti pod regiónom Xanadu, UVIS, analyzátor prachu CDA a iné. V dobe najväčšieho priblíženia optické prístroje snímkovali oblasť okolo južného pólu. Ďalší, v poradí už siedmy cielený prelet okolo Titanu sa konal 7. septembra 2005. Počas preletu sa uskutočnili radarové merania. 13. septembra bolo oznámené, že došlo k strate podstatného objemu vedeckých údajov z preletu okolo Titanu. Príčinou boli jednak prevádzkové problémy na sledovacej stanici DSN a jednak softvérová chyba na palube sondy. Súbor:PIA08391 Epimetheus, Rings and Titan.jpg|náhľad|Snímka z apríla 2006 poskytuje pohľad na prstence Saturna, ktoré čiastočne prekrývajú mesiac Titan. Nad prstencami sa nachádza ďalší mesiac, malý Epimetheus. Prieskum v rokoch 2006 – 2007 Počas šestnásteho preletu okolo Titanu (2. júla 2006) sonda skúmala mesiac prístrojmi VIMS, ktorý v priebehu približovania získaval údaje pre globálnu mapu, CIRS, ktorý skúmal aerosóly v atmosfére, ISS, ktorý pátral po búrkových javoch, MAPS, ktorý zisťoval pôsobenie mesiaca na magnetosféru Saturna, a UVIS, ktorý vykonával ultrafialové merania. Radar na palube sondy poskytol zreteľný dôkaz existencie uhľovodíkových jazier na Titane. Na radarových záberoch sa našlo množstvo tmavých škvŕn, pričom niektoré sú napojené na sústavu kanálov. 21. júla prebehol najbližší prelet okolo Titanu vo vzdialenosti , ktorý zmenil sklon dráhy sondy. Hlavným bodom programu preletu bola radarová sondáž krajín okolo severného pólu mesiaca. Počas preletu bola nameraná vyššia hustota atmosféry, ako sa očakávalo. Pomocou merania zákrytu hviezd za Titanom sa tiež zisťoval detailný profil termosféry mesiaca. 7. septembra došlo k ďalšiemu cielenému preletu okolo Titanu s najväčším priblížením vo výške . Počas príletu hľadala kamera ISS búrkové javy a polárne žiary, zatiaľ čo spektrometer VIMS sa sústredil na mapovanie a fotometrické meranie Titanu. Počas preletu robil spektrometer VIMS snímky vo vizuálnom a infračervenom obore v rozsahu od globálnych záberov po veľmi podrobné detaily. 9. októbra sa uskutočnil ďalší blízky prelet okolo Titanu (výška ), pričom sa radarom intenzívne skúmali miesta okolo severného pólu, kde sa predpokladajú uhľovodíkové jazerá. Na snímkach z preletu 25. novembra 2006 bolo objavené zatiaľ najvyššie pohorie na Titane. 3. januára 2007 potvrdila skupina starajúca sa o údaje z radaru sondy, že na Titane sú jazerá naplnené tekutým metánom. 12. januára prebehol ďalší prelet okolo Titanu spojený s mapovaním jeho povrchu. Celkove sa sonda stretla s Titanom v roku 2007 17-krát. 22. februára sonda absolvovala 25. prelet okolo Titanu, počas ktorého prebiehali radarové merania. Mapujúci spektrometer VIMS urobil prvé zábery na najvyššej oblasti severnej pologule mesiaca. Prieskum v rokoch 2008 – 2009 V lete 2008 sa sonde Cassini podarilo dokázať prvú existenciu tekutého jazera ( Ontario ) a o rok neskôr našla definitívny dôkaz takéhoto jazera aj na severnej pologuli. V roku 2009 začala na severnej pologuli Titanu jar. Sonda Cassini pozorovala odrazy slnečného svetla od hladiny najväčšej kvapalnej plochy na mesiaci, Kraken Mare . Vďaka tomu vo vysokom rozlíšení pozorovala jeho ostrovy a pobrežie. Zistilo sa, že more sa skladá z dvoch paniev prepojených 40 km dlhou úžinou. V júni sonda merala hĺbku jazera Ontário radarom. 26. decembra 2009 sonda Casisni preletela nad Titanom vo výške 955 km. Okrem sledovania sezónnych zmien na jazerách a moriach pozorovala aj sezónne zmeny atmosféry v polárnej oblasti. Dážď a sneh nad sledovacou stanicou v Madride však spôsobili čiastočnú stratu údajov z tohto preletu. Prieskum v rokoch 2010 – 2011 12. januára 2010 sa uskutočnil ďalší cielený prelet vo výške 1 073 km. Počas neho sa skúmal odpar jazera Ontario Lacus . Prístroj INMS toho do hĺbky skúmal atmosféru južnej časti mesiaca a hľadal sezónne zmeny. Merali aj prístroje CAPS a spektrometer CIRS, ktorý skúmal teplotu povrchu, stratosféru a analyzoval prvky a zlúčeniny. Sledovala sa aj oblačnosť, vytvárala sa mozaika rovníkového pásma medzi 160 a 270° geografické dĺžky s rozlíšením 25 až 30 km/pixel. Prístroj MIMI skúmal energetické ióny a elektróny vstupujúce do atmosféry Titanu. Zariadenie RPWS meralo termálnu plazmu a skúmalo vzájomné interakcie medzi magnetosférami Titanu a Saturnu. Umelecká predstava sondy Cassini prelietajúcej nad Titanom 28. januára sonda absolvovala ďalší blízky prelet, počas ktorého jej kamery snímkovali povrch s vysokým rozlíšením. Skúmalo sa aj zloženie atmosféry a oblačnosť. V tomto roku tiež došlo k definitívnemu predĺženiu misie sondy až do roku 2017. Na základe januárových aj minuloročných radarových meraní hĺbok jazera Ontário sa ukázalo, že táto kvapalná plocha je veľmi plytká. Jeho priemerná hĺbka sa pohybuje od 0,4 do 3 metrov a najväčšia dosahuje 7 metrov. V marci a apríli sonda sledovala oblačnosť a prechody iných mesiacov pred Titanom. Uskutočnili sa aj mapovania mesiaca v globálnom meradle a profil atmosféry. V prvých mesiacoch roka 2011 bol Titan skúmaný prevažne z diaľky a zaznamenávala sa jeho oblačnosť, pri vzdialenom prelete 28. februára aj magnetické pole Saturna v jeho blízkosti. Meralo sa aj gravitačné pole. Májové snímkovanie pri prelete vo vzdialenosti 1873 km sa snažilo zachytiť prípadné sezónne zmeny pred a po rovnodennosti na mesiaci. V júni sonda sústredila pozornosť na oblasť Xanadu . Dlhodobé mapovanie zistilo, že niektoré výrazné povrchové útvary počas mnohoročného pozorovania sondou zmenili svoju polohu až o 30 km. Ide o ďalšiu skutočnosť podporujúcu existenciu kvapalného oceánu, na ktorom by tieto útvary spolu s mesačnou kôrou plávali. Na základe toho predstavitelia NASA začali uvažovať o rozšírení prieskumu Titanu ďalšou sondou. V ďalších mesiacoch roku 2011 sonda pokračovala v dlhodobom monitorovaní oblačnosti, zloženia atmosféry a hľadané sezónnych zmien. V novembri sonda zahájila novú fázu štúdia nazvanú Titan Exploration at Apoapsis (TEA). Ide o sériu pozorovaní približne raz za týždeň trvajúcich až 37 hodín, ktoré majú za cieľ najmä monitorovať oblačnosť a detegovať nové molekuly a izotopy v stratosfére prístrojom CIRS. Prieskum v rokoch 2012 – 2013 Ligeia Mare vo falošných farbách V roku 2012 bol objavený ľadový oblak kyanovodíka vznášajúci sa vo výške 300 km nad južným pólom. Sonda pokračovala v dlhodobom monitorovaní mesiaca. Okrem toho sa pokúšala nájsť nejaké telesá v jeho libračných bodoch. Pri prelete 26. septembra 2012 objavila Cassini na severnom póle útvar, ktorý by mohol byť 400 km dlhou riekou tečúcou do Ligeia Mare . V júli 2013 zaznamenala sonda Cassini sezónne zmeny pobrežia Ligeia Mare . Ako sa s blížiacim sa letom severná pologuľa zohrievala, ľadová prikrývka sa topila a more sa zväčšovalo. 10. júla zaznamenala sonda radarom v Ligeia Mare tiež objekt interpretovaný ako ostrov, ktorý však pri ďalšom pozorovaní, 26. júla, už nevidela. Záhadný útvar dostal meno Magic Island . Sonda monitorovala aj vznik a zánik oblakov nad Ligeia Mare. Radarovými obrazmi získanými v priebehu roku 2013 bola určená hĺbka Ligeia Mare na 160 – 170 metrov. V máji tohto roku bola tiež na základe údajov sondy okolo severného pólu mesiaca objavená celá sieť riečnych kanálov. Ďalšou analýzou údajov vyplynulo, že tieto rieky pretekajú až 570 m hlbokými kaňonmi. Prieskum v rokoch 2014 – 2015 V roku 2014 sa podarilo s vysokým rozlíšením zobraziť podrobnosti na uhľovodíkovom mori Ligeia Mare a odvodiť jeho objem. V auguste 2014 sa pred rokom stratený útvar Magic Island opäť objavil a jeho plocha sa zväčšila z pôvodných 75 na 160 štvorcových kilometrov. Teórie vysvetľujúce tento neobyčajný jav sú, že ide o vlny na Ligeia Mare , bubliny vyvierajúceho plynu, alebo vynárajúce sa kryhy materiálu z dna. Budúci výskum V roku 2011 sa objavil návrh sondy TiME (Titan Mare Explorer). Išlo by o sondu s pristávacím puzdrom, ktorá by plávala na uhľovodíkovom jazere alebo mori na Titane. V decembri 2017 agentúra NASA vybrala dva projekty, ktoré by sa teoreticky mohli zrealizovať a zlietnuť v polovici dvadsiatych rokov 21. storočia. Jedným z nich je sonda na Titan menom Dragonfly (anglicky vážka). Ide o sondu v podobe dronu lietajúcu v atmosfére Titanu. Mala by vykonávať chemický prieskum a analýzu obývateľnosti desiatok rôznych lokalít. Návrh zastupuje Elizabeth Turtle z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) v Laurel, štát Maryland. Definitívne potvrdenie alebo zamietnutie tohto návrhu by malo prísť na jar 2019.