Les objectifs de Huygens sont : (1) déterminer les caractéristiques physiques (densité, pression, température, etc.) de l'atmosphère de Titan en fonction de l'altitude, (2) mesurer l'abondance des constituants atmosphériques, (3) investiguer sur la chimie de l'atmosphère, spécialement par rapport aux molécules organiques et à la formation et la composition des aérosols, (4) caractériser la météorologie de Titan, particulièrement par rapport à la physique des nuages, les éclairs et la circulation générale et (5) examiner l'état physique, la topologie et la composition de la surface. D'aspect similaire à la sonde larguée par Galileo sur Jupiter, Huygens est un module de descente doté d'un nez sphérique et d'une section arrière conique. Une coque de protection thermique entoure le module de descente, qui passe d'une vitesse de 6 km/s à 400 m/s en environ 2 minutes, le protégeant de l'intense chaleur d'entrée. Un parachute est alors déployé et la coque larguée. La sonde fait alors des mesures tout en descendant dans l'atmosphère.

Ci-contre : un diagramme décrivant les phases de la descente de Huygens dans l'atmosphère de Titan et son arrivée au sol.

Il débute par la rencontre initiale avec l'atmosphère de Titan et la décélération qui en résulte. Pendant que la sonde ralentit, un petit parachute est ouvert, permettant l'extraction et le déploiement du parachute principal. Lorsque celui-ci est pleinement ouvert, la coque de freinage est larguée et la sonde dérive dans l'atmosphère vers la surface. A environ 40 km au-dessus de celle-ci, le parachute principal est largué et un parachute plus petit amène la sonde jusqu'au sol. Des données scientifiques sont continuellement transmises de la sonde vers l'orbiteur durant les 2,5 heures de descente. La sonde ayant survécu à l'impact (à environ 25 km/h), un petit ensemble scientifique transmet alors plus de 30 minutes de données.

Ci-contre : une autre représentation de la descente de Huygens dans l'atmosphère de Titan.

Intrumentation embarquée : la sonde comporte un collecteur d'aérosols et un pyroliseur, une caméra de descente et un radiomètre spectral, une expérience de mesure du vent par Doppler, un chromatographe en phase gazeuse, un spectromètre de masse, un instrument consacré à la structure nuageuse et un ensemble scientifique de mesures à la surface.