토성의 자연 위성으로는 대표적으로 타이탄과 레아를 예로 들 수 있다.
먼저 타이탄은 토성의 위성 중에서 가장 큰 천체로 태양계 내에서 목성의 위성인 가니메데에 이어 두 번째로 크다고 한다. 타이탄은 태양계의 위성 중 갈릴레이 위성 다음으로 발견되었던 천체로 토성의 위성 중에 첫 번째로 존재가 증명되었던 위성이었다. 또한 토성의 위성 타이탄은 태양계에서 짙은 대기를 가지고 있는 유일한 위성이라고 하며 지구처럼 안정된 상태의 표면이 존재하여 액체가 확인되었던 최초의 천체기도 하다. 타이탄은 짙은 대기로 둘러싸여 있었기 때문에 인류는 처음에 타이탄의 표면에 대하여 거의 알지 못했다고 한다. 그러나 카시니-하위헌스 호의 탐사는 탄화수소로 채워진 호수들이 타이탄의 극지에 존재함을 발견하였고 발견되었을 때 표면은 지질학적으로 젊은 편에 속했으며 산과 얼음 화산같이 보이는 지형들이 관찰되었다고 한다. 위성으로서는 특이하게도 높은 압력의 오렌지색을 띠는 질소 대기를 가지고 있다. 타이탄의 표면은 주로 얼음과 암석으로 이루어져 있으며 전체적으로 타이탄의 표면은 평평했으며 충돌구는 거의 발견되지 않았다고 한다. 타이탄은 외계 미생물이 살 수 있거나 생명체 이전의 유기 화합물이 풍부한 곳으로 여겨지고 있다. 몇몇 연구자들은 존재하지도 않을 수도 있는 지하의 바다가 생명체의 존재에 적합한 환경을 제공할 수 있다고 주장하기도 한다. 타이탄의 대기는 대부분 질소로 이루어져 있으며 소량의 에테인과 메테인이 존재한다. 바람과 강우를 포함한 대기의 작용들이 지구와 비슷한 지형적 특징을 이루고 있는데 이것은 지구와 마찬가지로 계절적인 기상에도 관련이 있다고 한다. 이같이 타이탄 표면에는 바람과 비 같은 기상 현상도 발생하며 지구 해변과 비슷한 물결 모양의 지형도도 형성되어 있다. 토성의 위성 타이탄은 반지름은 2575km로 수성과 비슷한 크기라고 한다.
타이탄은 토성을 1회 공전하는데 주기는 15일 22시간으로 공전한다. 타이탄의 공전주기는 1 자전 주기로 지구의 달과 다른 가스 행성의 위성들과 일치한다고 한다. 그렇기 때문에 천체가 자신보다 질량이 큰 천체를 공전 및 자전할 때 공전 주기와 자전 주기가 일치하는 경우를 의미하는 조석 고정 상태에 있으며 이런 이유로 한쪽 면이 토성만을 계속 바라보는 상태라고 한다. 행성과 비슷한 특징을 지니고 있는 위성으로 자주 떠오르는 것처럼 타이탄은 반지름이 달의 약 1.5배 정도 되고 질량은 1.8배나 된다. 타이탄의 지름은 5,150킬로미터로 행성인 수성보다 질량은 수성의 반이지만 수성보다 더 크다고 한다. 타이탄의 중심부에는 3,400킬로미터 직경의 핵이 있으며 이 위로 여러 다양한 형태의 얼음 결정으로 이루어진 여러 개의 층이 존재한다. 목성의 위성 타이탄은 표면과 지하에 있는 액체 물질 및 질소로 충만한 대기 때문에 타이탄은 온도가 훨씬 더 낮다는 점만 제외하고는 원시 지구의 모습과 매우 비슷해 보인다. 이런 이유로 타이탄은 예전부터 미생물이나 유기 화합물 형태의 생명체가 태동할 환경이 형성되어 있을 것으로 주장해 왔다. 타이탄에 흐르는 액체는 물이 아닌 메탄이므로 이곳 생명체는 메탄을 기반으로 살아갈 것으로 추정된다. 타이탄은 불규칙하고 작은 또 다른 위성 히페리온과 3:4의 궤도 공명 비를 보인다. 혼란스러운 궤도로부터 완만한 과정을 거쳐 현재의 궤도 공명 상태가 이루어진 것으로 보고 있다. 히페리온의 모양은 구형이 아닌 고구마를 연상시키는 모양의 불규칙한 모양으로 자전 주기는 일정하지 않고 표면은 스펀지와같이 불규칙한 모습을 보인다. 히페리온은 지름이 121.57킬로미터에 이르며 깊이는 10킬로미터에 이르는 큰 충돌구도 존재하는데 이러한 원인으로는 큰 규모의 충돌로 떨어져 나온 조각이 현재의 히페리온이 있다. 이러한 히페리온은 안정적인 공전 궤도 선상에서 생겨났을 가능성이 큰데 타이탄은 히페리온에 근접하면서 물질들을 빨아들이고 히페리온 궤도 역시 타이탄 근처로 이동했을 것으로 보인다.
토성의 두 번째 위성인 레아는 그리스 신화에 나오는 거인족 티탄인 레아에서 타온 이름이라고 한다. 레아는 밀도가 낮으며 밀도를 보았을 때 레아는 25%의 암석과 75%의 물과 얼음으로 구성되어 있다고 할 수 있다. 레아의 표면에는 충돌구가 매우 많으며 밝은 선 구조가 존재한다. 레아의 표면은 충돌구의 밀도에 따라 지질학적으로 두 가지의 구역으로 나뉘는데 첫째는 충돌구들의 지름이 40킬로미터 이상인 곳이며, 둘째는 극과 적도 지대로 충돌구의 지름이 40킬로보다 작은 곳이라고 한다. 레아의 전반 구에는 충돌구의 수가 많으며 일정하게 밝은색을 띠고 있다. 후반 구 표면에는 고해상도 사진으로 봤을 때 얼음 절벽이 보이기도 하며 밝은색의 그물 무늬가 있으며 어두운색을 띠고 있고 충돌구 수가 상대적으로 적다. 이 그물 무늬는 레아가 생성될 당시에 내부에서 흘러나오는 물질들로 인해서 형성되었을 것으로 알려져 있다. 또한 최근 관측에서는 레아의 표면에 보이는 그물 무늬는 얼음 계곡이라는 가능성도 크다고 한다. 2008년 3월 NASA는 레아에는 아주 미세하고 희미한 고리가 있을 가능성도 있다고 한다. 이 가능성은 토성의 자기장에 의해 전자의 흐름이 바뀌는 것을 근거로 알아낸 것인데 위성에서 고리가 발견된 최초의 사례가 될 수 있다. 먼지와 얼음 조각들이 레아의 지배적으로 끌어당길 수 있는 영역인 힐 구 바깥에 펼쳐져 있는 것으로 보이고 이 고리는 레아에 점점 더 가까워질수록 밀도가 증가하며 폭은 좁으나 밀도는 높은 세 개의 고리를 포함하고 있다.