Полет «Аполлона-8» был назначен на 21 декабря. Дата была выбрана так, чтобы она совпадала с новой лунной фазой. Точный расчет времени позволит экипажу лететь над Морем Спокойствия во время восхода Солнца над этой областью Луны. Этот особый район считался местом будущей посадки на Луну. Экипаж «Аполлона-8» получил уникальную возможность изучить и сфотографировать с близкого расстояния изрезанную кратерами лунную поверхность.
Замечательная ракета «Сатурн-5», которая преодолеет огромное расстояние от мыса Кеннеди до Луны, была собрана в громадном монтажном корпусе, самом большом сооружении полигона на мысе Кеннеди. Затем «Сатурн-5» был перевезен на стартовую площадку, которая находилась на расстоянии 5,6 км. Ее тащил гусеничный тягач, который двигался по покрытой гравием дороге шириной 34 м. Уникальный транспорт космической эры, весом 2722 т, двигался со скоростью 1,6 км/ч. В то время когда строились эти тягачи, они были самым большим транспортным средством с платформой размерами приблизительно с внутреннее бейсбольное поле. Тягач двигался к месту, где находилась самоходная башня обслуживания, необходимая для заключительного обеспечения ракеты «Сатурн-5». Каждая из двух восьмиугольных стартовых площадок для «Сатурна-5» содержала огромную железобетонную базу и отражатель пламени в форме перевернутой буквы V. Отражатель направлял прочь от площадки огненную реку ракетного выхлопа от двигателей первой ступени «Сатурна-5» в специальные траншеи по двум сторонам. Поверхность траншеи была выложена огнеупорной керамикой, которая могла выдержать температуру почти в 1100 °C и вихрь пламени, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью. Вдоль периметра стартовой площадки располагалось хранилище малых баллонов с жидким топливом для «Сатурна» — жидким кислородом и жидким водородом. Центр управления запуском «Сатурна-5» из соображений безопасности располагался на расстоянии нескольких километров от стартовой площадки — в многоэтажном здании, примыкающем к монтажному корпусу.
Пять двигателей F-1 первой ступени «Сатурна-5» обеспечивали общую тягу 3400 т при общей мощности 160 млн лошадиных сил. Каждый двигатель F-1 имел 3,7 м в диаметре. В течение работы первой ступени «Сатурн-5» расходовал 2,3 млн литров керосина и жидкого кислорода менее чем за три минуты. Учитывая огромные размеры двигателей ракеты «Сатурн» и легкую испаряемость криогенных топлив, НАСА принимало меры для некоторого «наихудшего сценария». Одним ощутимым опасением был взрыв — постоянная угроза для жидкостно-топливных ракет. Любой взрыв полностью заправленного «Сатурна-5» мог породить взрывную волну с силой, эквивалентной взрыву 500 т тротила. Такое бушующее пламя было бы чудовищным, оно составляло бы около 1/26 вспышки, произведенной атомной бомбой, которая разрушила Хиросиму в 1945 году. Неожиданный взрыв ракетного топлива и окислителей — сверхохлажденного жидкого кислорода, тысяч литров керосина и сверхохлажденного жидкого водорода — стал бы огненным шаром диаметром около 1 км. Для астронавтов, находящихся на «Сатурне-5», единственной возможностью спасения была система аварийного покидания космического аппарата на старте, которая отстреливала командный модуль с огромной скоростью прочь от стартовой площадки. Чтобы минимизировать побочные разрушения, стартовые площадки для «Сатурна-5» были построены на изолированном острове Меррид, щедро покрытом безлюдными болотами и пляжами.
Наступил день запуска, 21 декабря, который должен был быть произведен с площадки 39-А в 7:51 утра. Центр управления полетами располагался на расстоянии 5,6 км, и все инженеры, техники, личный состав управления полетом собрались, чтобы наблюдать и контролировать запуск космического корабля «Аполлон-8». У всех в НАСА полет вызвал сильное волнение; все вполне осознавали, что это поистине исторический полет. Длинный обратный отсчет прошел по заданному сценарию; не было никаких помех. Когда до старта оставалось 15 минут и шла последняя проверка, Борман и его команда поняли, что полет на Луну уже неизбежен. Проследовали последние минуты отсчета, глаза всех, кто следил за подготовкой к старту, не отрывались от «Сатурна-5». Момент воспламенения выглядел впечатляюще: когда двигатели включились, из подножия ракеты вырвался стремительный поток огня и дыма. Затем удерживавшие ее скобы разошлись, и «Сатурн-5» поднялся над своей стартовой площадкой. Гигантская ракета быстро набрала высоту и скорость, которая уже через 40 секунд стала сверхзвуковой. Примерно через 11 минут полета «Аполлон-8» находился на орбите на высоте 190 км над Землей. Теперь скорость космического корабля была 27 840 км/ч.
В конце второго витка Центр управления полетом НАСА голосом Майкла Коллинза дал команду включить двигатели, чтобы направиться к Луне: заработала ракета третьей ступени, которая помчала космический корабль «Аполлон-8» с околоземной орбиты по направлению к Луне. Теперь ракета несла космический корабль со скоростью 38 762 км/ч по пространственной кривой, которую в НАСА называли «траекторией свободного восстановления»: если не будет никаких дальнейших маневров, космический корабль «Аполлон-8» промчится вокруг Луны, после чего направится назад домой через 136 часов полета в космосе. Однако план полета предусматривал 10 облетов Луны с целью отработки навигации и фотографирования, что означало возвращение экипажа на Землю через 147 часов полета.
Преодоление грозной бездны, разделявшей Землю и Луну, было для экипажа совершенно новым опытом. Они не ощущали никакого движения, несмотря на значительное увеличение скорости при выходе с орбиты Земли. Для четкого определения своего положения в космосе экипаж полагался на данные Центра управления. Они испытали ни с чем не сравнимое чувство, когда увидели, как удаляется от них Земля, становясь все меньше и меньше. Они находились в мире невесомости, где не было ни низа, ни верха, ни дня, ни ночи, и им казалось, что они неподвижны. Долгие часы Луна оставалась вне поля зрения; цель их путешествия появится только в конце. Команда «Аполлона-8», мчась по окололунной пустоте, была вынуждена осознать, что все человечество, за исключением троих в капсуле, находится на этой маленькой голубой планете, исчезающей вдали. Полет за пределами гравитационного притяжения Земли — примерно через три дня путешествия — стал важной контрольной задачей лунного полета. Вскоре они вошли в область действия лунного гравитационного поля. Те, кто это совершил, сообщали об остром чувстве одиночества, потерянности и даже незащищенности и уязвимости.
Самой сложной задачей, стоящей перед проектом «Аполлон», была навигация: пройти 374 400 км к Луне и обратно. Выстроить курс «Аполлона» было гораздо сложнее, чем произвести расчет взаимного расположения двух объектов в космосе. В этом случае три объекта — Земля, Луна и «Аполлон-8» — находились в движении, и все три тела, разные по размеру, находились под влиянием гравитации друг друга. Положение каждого тела относительно двух других тел следовало рассчитать с предельной точностью. Только появление компьютеров позволило найти решение так называемой задачи трех тел, и даже тогда только в весьма специфической лунной системе отсчета. Способность Центра управления НАСА предсказать, где будут находиться Луна, Земля и комический корабль «Аполлон-8» относительно друг друга все время, зависела от высокоскоростных компьютеров. Без них произвести множество расчетов направления и скорости и осуществить полет «Аполлона» было бы невозможно.
Так как программа «Аполлон» развертывалась во времена холодной войны, «Аполлон-8» поставил перед американцами новый вопрос. Как будут реагировать русские на непревзойденный успех американцев? По словам астронавта Майкла Коллинза, «советская программа была скрыта от всех, была секретом и тайной, и если наша сторона знала, что происходит, информация никогда не просачивалась из файлов ЦРУ и до нас, работающих в Хьюстоне, никогда не доходила». На личном уровне, во время редких встреч астронавтов и космонавтов, Коллинз познакомился с Павлом Беляевым и Константином Феоктистовым на Авиационном салоне в Париже в 1967 году и позже заметил, что его советские партнеры были «действительно хорошими парнями». И все-таки некоторые паникеры из НАСА опасались, что Советский Союз может попытаться заглушить информацию, поступающую от наземных компьютеров на космический корабль «Аполлон», и таким образом подвергнуть полет к Луне опасности. Чтобы обойти такую опасность, на борт командного и обслуживающего модуля «Аполлона» поместили компьютеры, что было новацией. Хотя по мере осуществления программы оказалось, что компьютеры на борту корабля выполняют значительно более практическую и даже более существенную задачу полета. В конце концов бортовая компьютерная система так прочно слилась с космическим кораблем, что ее стали считать «четвертым членом экипажа». Помимо навигации, в ее функции входило управление несколькими компонентами системы наведения и другими системами. Что касается компьютера лунного модуля, то он обеспечил проведение автономной посадки, взлета и сближения.
