华枫清楚的记得至2004年，人类对土卫六的表面地图的了解仍然是非常缺乏了解的。无论如何，人类使用哈勃天文望远镜的红外线和卡西尼-惠更斯号拍摂到一个高亮度，有澳洲大小区域的图片。
这个区域的非正式名称是''Xanadu Regio''(世外桃源)；没有人知道那里是什么样。类似的哈勃太空望远镜、Keck望远镜和甚大望远镜还观测到土卫六上另外一片大小相近的深**域，人们推测那里可能是液态的甲烷或乙烷海洋，但卡西尼号观测的数据发现可能是其他物质。卡西尼号还发回大量土卫六高分辨率地貌图像，其中包括谜一般的线状条纹，一些科学家认为那可能是地壳构造运动产生的。
2004年11月26日的一次飞越土卫六的观测,发现土卫六光滑的表面上只有很少的冲击环形山,这些环形山在光线的作用下明暗对比强烈。这大概是土卫六烃雨或烃雪落入环形山或火山喷发活动活跃造成的经常地壳重构所致。
探测器的分光器发现亮区和暗区发射的太阳光波长一样，这就意味着它们可能由相同的物质组成(或者至少是覆盖着相同的物质)。至于到底是什么物质，人们依然不清楚。人们曾希望凭借探测器观测物体或液体反射光线而发现的烃湖或烃海并未被探测到.这使得科学家怀疑土卫六 表面可能是完全呈冰状或泥泞状态。
为了更好的了解表面地貌，卡西尼太空船在飞近土卫六时使用了雷达遥感测绘技术.传回的第一张图片就展现地表是一个复杂，崎岖与平坦并存的区域.这种地貌看来应该是由火山造成的.火山可能喷发出水和氨水.另外也发现了一些好像风蚀产生的条纹状地貌。
还有一些看起来是已经被填平的冲击环形山，其中的液体可能是液态烃。湖中有或没有什么仍然无法确定。另有一些区域返回的信号看来，可能是固体或液体，但其他的解释仍然存在.土卫六看起来真的很光滑，表面没有高于50米的地貌。
天文学家认为，土卫六上分布着众多由液体甲烷和乙烷构成的湖泊，这颗卫星的寒冷程度超过南极洲。科学家表示，虽然土卫六上更加寒冷，但是它上面的风、雨和构造过程，使它成为太阳系中与地球最相像的天体。虽然这颗卫星低达零下292华氏度零下180摄氏度的平均表面温度会使水始终保持固体状态，但是它表面存在液体甲烷和乙烷，这些物质可为生命提供一个栖息地，但没有氧难被引燃。
1655年，荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯用他自制的新望远镜对准土星，准备研究土星环，但让他惊讶的是，在土星的旁边赫然有一颗巨大的卫星，这就是土卫六——泰坦。
1907年，西班牙天文学家何塞·科马斯·索拉从望远镜中观测到土卫六的圆面边界有阴影，指出这是存在大气的象征。
1944年，荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯用光谱分析仪观测，发现土卫六上存在甲烷气体。
1979年9月1日，先驱者11号从距土星20800千米处掠过土星，拍摄到土星巨大的卫星土卫六的照片。并初步判断土卫六上的温度极低，生命几乎无法生存。
1980年11月12日，旅行者1号从距土星124000千米处飞越土星，九个月后，即1981年8月25日，旅行者2号从距土星100800千米处飞过。这两个探测器对土卫六的探测结果表明，土卫六大气的主要成分是氮，其他成分为氩（占6%）、甲烷（2~3%）、氢（0.6%）。表面大气压力为1.5×10⁵帕,不过土卫六表面温度很低,为 -179℃，在距表面45千米高处的对流层顶，温度更低，为-203℃，难以指望孕育生命。
2005年1月14日，惠更斯子探测器在土卫六表面降落，向地面观测站传回300多幅土卫六照片。
旅行者1号和旅行者2号曾经探测过土卫六。旅行者1号曾试图尽可能的接近土卫六；不幸的是，旅行者1号上没有仪器能够穿透土卫六上的迷雾，因为当时根本不知道上面有云层的存在。多年之后，在对旅行者1号桔色滤镜拍摄的图片进行复杂的数字处理后，虽仍然没有能够解释如世外桃源地区和镰刀地区明亮和黑暗地貌的成因，但从那时起，这些地区就开始被哈勃天文望远镜用红外线加以观测了。
旅行者2号只是粗略的探测过土卫六，旅行者2号团队必须从“调整轨道让旅行者2号详细检视土卫六”和“使用另外一个访问天王星和海王星的轨道”中选取一个。由于旅行者1号没有能够观测到其表面地貌，旅行者2号团队选择了后一个方案。
1979年9月1日，，“先驱者11号”飞掠土星，考察了土卫六。不过，当“先驱者11号”考察土卫六时，正赶上一阵强烈的太阳风，严重地影响了发回的信息。地面控制中心只收到它在35万公里处拍下的5张高分辨率的照片。在照片上，土卫六呈现美丽的桔红色，像熟透了的桔子。
“旅行者1号”于1980年11月11日飞临土卫六。它离云顶只有4000公里，探测取得完满的成功。就是这次，测得土卫六的直径为4828公里，而不是过去认为的5550公里。
只有先驱者11号、旅行者1号和2号三个探测器飞临土星进行过探测土星的活动。1979年9月1日，先驱者11号经过6年半的太空旅程，成为第一个造访土星的探测器。
它在距离土星云顶20200千米的上空飞越，对土星进行了10天的探测，发回第一批土星照片。先驱者11号不仅发现了两条新的土星光环和土星的第11颗卫星，而且证实土星的磁场比地球磁场强600倍。9月2日第二次穿过土星环平面，并利用土星的引力作用拐向土卫六，从而探测了这颗可能孕育有生命的星球。
1980年11月12日，旅行者1号从距离土星12600千米的地方飞过，一共发回1万余幅彩色照片。这次探测不仅证实了土卫十、十一、十二的存在，而且又发现了3颗新的土星小卫星。当它距离土卫六不到5000千米的地方飞过时，首次探测分析了这颗土星的最大卫星的大气，发现土卫六的大气中既没有充足的水蒸气，其表面也没有足够数量的液态水。
1981年8月25日，旅行者2号从距离土星云顶10100千米的高空飞越，传回18000多幅土星照片。探测发现，土星表面寒冷多风，北半球高纬度地带有强大而稳定的风暴，甚至比木星上的风暴更猛。
土星也有一个大红斑，长8000千米，宽6000千米，可能是由于土星大气中上升气流重新落入云层时引起扰动和旋转而形成的。土星光环中不时也有闪电穿过，其威力超过地球上闪电的几万倍乃至几十万倍。
它再次证实，土星环有7条。土星环是由直径为几厘米到几米的粒子和砾石组成，内环的粒子较小，外环的粒子较大，因粒子密度不同使光环呈现不同颜色。每一条环可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环，在高分辨率的照片中，可以见到F环有5条小环相互缠绕在一起。土星环的整体形状类似一个巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。
旅行者2号发现了土星的13颗新卫星，使土星的卫星增至23颗。它考察了其中的9颗卫星，发现土卫三表面有一座大的环形山，直径为400千米，底部向上隆起而呈圆顶状，还有一条巨大的裂缝，环绕这颗卫星几乎达3/4周；土卫八的一个半球为暗黑，另一个半球则十分明亮；土卫九的自转周期只有9~10小时，与它的公转周期550天相去甚远；土卫六的实际直径为4828千米，而不是原来认为的5800千米，是太阳系行星中的第二大卫星，它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗红的天空，偶尔洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨等，这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。
为了进一步探测土星和揭开土卫六的生命之谜，美国与欧空局联合研制了价值连城的卡西尼号土星探测器。1997年10月15日这个探测器发射升空，开始为期7年的漫长旅途。它预计2004年飞临附近空间，开展长达4年的环土星就近探测，并首次实现在土星的最大卫星土卫六上着陆，进行实地考察。
卡西尼号直径约2.7米，总重达6吨，由轨道探测器和着陆器组成。其轨道探测器取名卡西尼号，装有12种探测仪器；着陆器取名惠更斯号，装有6台科学仪器。为了加快奔向土星的飞行速度，卡西尼号于1998年4月飞掠金星，获得第一次加速。随后它绕太阳公转一周，于1999年6月再次飞掠金星，获得第二次加速。同年8月，它在地球附近飞过，获得第三次加速。
之后，卡西尼号探测器将于2000年12月飞掠木星，得到最后一次加速。它定于2004年7月飞抵目的地与土星会合，进入环绕土星运行的轨道。同年11月，惠更斯号着陆器将脱离卡西尼号探测器飞向土卫六，穿过其云层，在土卫六上软着陆，然后将探测到的数据通过环土飞行的卡西尼号轨道器传回地球。
卡西尼号进入环土星轨道后的任务是：环土星飞行74圈，就地考察土星大气、大气环流动态，并多次飞临土星的多颗卫星，其中飞掠土卫六近旁45次，用雷达透过其云气层绘制土卫六表面结构图，预计可发回近距离探测土星、土星环和土卫家族的图像50万帧。
惠更斯号将成为第一个在一颗大行星的卫星上着陆的探测器。它将在2.5小时的降落过程中，用所带仪器分析土卫六的大气成分，测量风速和探测大气层内的悬浮粒子，并在着陆后维持工作状态1小时，揭示土卫六上是否有水冰冻结的海洋和是否存在某种形态的生命。它所收集到的数据和拍摄的图像通过卡西尼号探测器传回地球。