1610년에 이탈리아 천문학자인 갈릴레이가 토성의 고리를 발견했다. 갈릴레이는 토성의 양쪽에 고리가 부푼 것을 희미하게 볼 수 있었다. 그러나 그것의 본래 모습을 알아낼 수 없었다. 갈릴레이는 부푼 것은 두 개의 거대한 위성이라고 결론지었다. 1656년에 독일 천문학자인 하위헌스는 더욱 강력한 망원경을 이용해서 토성에 얇고 편평한 고리가 있다고 묘사했다. 그는 고리가 알려지지 않은 물질로 이루어진 고체 층이라고 생각했다. 1675년에 이탈리아 태생의 프랑스 천문학자인 카시니가 단일 고리가 사실은 두 개의 고리라는 것을 발견했다. 그 두개의 고리는 현재 A와 B고리이다. 그는 고리가 수많은 위성으로 이루어졌다고 올바르게 추측했다. 나중의 관측에서 다른 고리가 추가로 발견되었다. 1970년대 초반 추주탐사선에 의한 관측이 복잡한 고리 구조와 생성 원인에 대해서 밝혔다.
1973년에 미국은 토성과 목성을 연구하고자 우주탐사선을 발사했다. 파이어니어 11호는 1974년에 목성을 통과하여 1979년 9월에는 토성에서 20,900km 떨어진 곳까지 날아갔다. 이 탐사선이 보내온 과학적인 자료와 토성 근접 사진 덕분에 토성의 바깥쪽 고리 두 개를 발견할 수 있었다. 또한 토성이 지구 자기장보다 1000배나 강한 자기장을 가지고 있다는 사실을 발견했는데, 이 자기장은 토성 주위에 거대한 자기권을 형성하고 있다. 탐사선의 자료로 토성의 자기권 안쪽에 복사대가 있다는 사실도 밝혀졌는데, 이 복사대는 고에너지의 전자와 양자로 이루어진 것으로, 지구의 밴앨런대와 비슷한 것이다.
1977년에 미국은 토성과 다른 행성들을 연구하고자 보이저 1호, 2호를 발사했다. 1980년 11월에 보이저 1호는 토성에서 12만 6000km 떨어진 곳까지 접근했으며, 보이저 2호는 1981년 8월에 토성에서 10만 1000km떨어진 곳까지 접근했다. 보이저탐사선은 토성 고리 7개를 확인했으며, 탐사선이 보낸 자료와 사진 덕분에 위성 9개를 발견할 수 있었고, 타이탄의 대기가 주로 질소로 이루어져 있다는 것도 확인했다. 1997년에 미국은 토성과, 토성의 고리와 위성들을 연구하기 위해서 우주탐사선 카시니를 발사했다. 카시니는 2004년에 토성의 궤도에 진입했다. 카시니에는 타이탄에 착륙할 목적으로 유럽우주기구에서 만든 하위헌스탐사기가 실려 있었다. 2005년에 하위헌스는 낙하산에 매달려 안개처럼 짙은 대기를 뚫고 내려가면서 타이탄의 표면 사진을 찍었다. 촬영된 사진들에는 액체 메테인이 흘러가면서 깎아 만든 것으로 보이는 수로들이 나타나 있었다. 하위헌스는 착륙한 뒤, 타이탄의 표면 바로 밑에서 액체 메테인을 발견했다. 카시니는 엔켈라두스의 활동 중인 간헐천의 위치도 찾아냈다.
2007년에 카시니탐사선에 보낸 자료를 분석한 과학자들은 토성의 북극에 거대한 육각형 풍계가 존재한다고 발표했다. 그것은 1980년대 초에 보이저탐사선에 의해서 처음 촬영 되었던 것이었다. 육각형 풍계의 너비는 대략 25,000km이다. 지구에도 극 주변을 도는 바람이 있다. 하지만 토성 외의 다른 어떤 행성에서도 육각형 풍계를 발견하지 못했다.
과학자들은 62개 이상의 위성을 발견했다. 더 많은 위성이 발견을 기다리고 있을지도 모른다. 큰 위성 8개가 처음 발견되었으며, 가장 큰 주목을 받고 있다. 가장 큰 위성은 타이탄인데, 지름이 5,150km이다. 행성인 수성보다 크다. 타이탄은 의미있는 양의 대기를 가진 태양계의 유일한 위성이다. 사실상 타이탄의 표면에서 대기 농도는 지구보다 4배나 짙다. 타이탄의 대기는 주로 기체 질소로 이루어져 있다. 그다음으로 많은 기체는 메테인이다. 대기 상층부의 메테인은 햇빛과 토성의 자기권에서 온 하전입자에 의해서 쪼개져 있다. 파편은 재결합해서 탄소와 질소를 포함하는 다양한 분자를 만든다. 이러한 분자는 생명의 기본적인 구성요소에 속한다.
엔켈라두스는 과학자들의 특별한 관심을 끄는 또 하나의 위성이다. 물이 얼어서 생긴 물 얼음과 다양한 기체의 강력한 기둥이 남극 지역에서 폭발적으로 분출한다. 물 얼음과 수증기가 기둥의 주요 물질이다. 하지만 일산화탄소, 메테인, 기타 생체분자와 같은 물질도 발견되었다. 액체 물과 생체분자의 존재는 엔켈라두스에 생명의 가능성을 제시한다.
미마스에서 특징적인 지형은 표면에 두드러진 단일충돌크레이터이다. 미마스 발견자의 이름을 따서 허셜이라고 이름 붙은 이 충돌크레이터는 거의 미마스를 조각내 버릴 만큼 거대한 한 번의 충돌로 형성되었다. 테티스도 압도적인 단일충돌크레이터가 있다. 테티스는 두개의 더 작은 위성, 텔레스토와 칼립소와 함께 토성 주변 궤도를 공유하고 있다. 텔레스토는 테티스 앞에서 갈립소는 테티스 뒤에서 돌고 있는데, 둘 다 동일한 거리를 유지한다. 테티스와 토성의 연합 중력은 텔레스토와 칼립소를 라그랑주점이라고 하는 특정한 위치에 머물게 한다.
디오네도 더 작은 위성과 궤도를 공유한다. 헬레네는 디오네 앞에서 폴리데우케스는 뒤에서 궤도를 돌며, 둘다 디오네와 토성의 라그랑주점 부근에 위치한다.
이아페투스는 거대한 충돌크레이터가 많은 것이 특징이다. 그중 일부는 허셜크레이터와 크기가 비슷하다. 이아페투스의 지형은 밝은 면과 어두운 면이 독특하게 대비된다. 어두운 면은 검은색에 가깝다. 이아페투스의 어두운 면은 궤도에서 앞을 향하고 있다. 이아페투스에는 독특한 지형이 있는데, 1,300km나 되는 뚜렷한 산등성이가 적도를 따라서 뻗어 있다.
레아는 일부 대형 위성과 비슷하게 생겼다. 표면은 흐릿하고 거의 동일하며 회색이다. 흰 줄무늬가 몇 개 있을 뿐이다. 2010년 말에 카시니탐사선은 레아를 감싸고 있는 매우 얇은 대기층인 외기권을 찾았는데, 산소와 이산화탄소로 되어 있었다. 히페리온은 구보다는 쪼그라진 원기둥 모양을 하고 있다. 토성의 다른 위성과는 달리 히페리온의 축은 토성을 향하지 않고 있다. 토성의 나머지 위성은 훨씬 작다. 대부분 불규칙한 형태를 하고 있고, 가늘고 길게 늘어진 타원궤도를 돌고 있다.