Во время десятидневного полета экипажу удалось испытать командно-служебный модуль, который они назвали «круглый леденец», и лунный модуль, названный «паук». Это был полет, о котором летчики-испытатели давно мечтали: они произвели расстыковку космического корабля, когда в командно-служебном модуле находился Скотт, а в лунном модуле — Макдивид и Швейкарт. Эти два астронавта испытывали «паука» в течение шести часов, отважившись удалиться от командного модуля более чем на 160 км, прежде чем включить свой двигатель, чтобы вернуться назад и присоединиться к Скотту. Расстыковка потребовала четкого использования техники орбитального сближения, тщательно отработанной во время полетов «Джемини». Это было важной подготовкой к тому дню, когда командный и лунный модули снова должны будут найти друг друга и соединиться над поверхностью Луны.

«Аполлон-10» поднимется следующим по программе испытания лунных модулей. Восьмидневный полет к Луне начнется 18 мая 1969 года. Как только «Аполлон-10» выйдет на лунную орбиту, его экипаж предпримет один из самых впечатляющих и опасных экспериментов в дальнем космосе — снижение лунного модуля с включенным тормозным двигателем с двумя астронавтами на борту до высоты 15 км над поверхностью Луны, используя полностью действующий лунный модуль. Экипаж состоял из командира корабля Тома Стаффорда, который вместе с Джином Сернаном, находился в лунном модуле, и Джона Янга, остававшегося в командном модуле. Члены экипажа были талантливыми и опытными, каждый совершил в прошлом не менее пяти полетов на «Джемини». Выбор трех ветеранов, без сомнения, отражал собственное убеждение экипажа в том, что путешествие будет более трудным, чем все предыдущие полеты вместе взятые. Как и летавший до них «Аполлон-8», космический корабль Стаффорда и его экипажа вышел на заданную лунную орбиту, но на этот раз со значительным отличием. Они везли с собой на Луну лунный модуль, прозванный «Снупи», соединенный с командным модулем, который они назвали «Чарли Браун».

22 мая, перейдя в лунный спускаемый аппарат и отделив его от командного модуля, Стаффорд и Сернан включили двигатели ракеты снижения лунного модуля на высоте 110 км над Луной. По своей орбите снижения они опустились на предусмотренную высоту 15 км. С этой высоты они увидели огромные камни, разбросанные по всей площади под ними, некоторые из этих обломков скал были высотой с пятиэтажное здание. Позднее Стаффорд выяснил, что они были в десять раз больше. Когда Сернан и Стаффорд впервые наблюдали свой первый восход Земли, они взволнованно радировали в Центр управления: «Хьюстон, это „Снупи“! Мы идем вперед и мы внизу с ними, с „Чарли Брауном“». Пролетев девять миль над поверхностью Луны в полной темноте, экипаж лунного модуля обозревал Море Спокойствия, которое рассматривалось как первая посадочная площадка на Луне. Они сообщили, что хотя и имеются безопасные участки, в целом все покрыто глыбами скал и кратерами.

На обратном пути для соединения с командным модулем экипаж «Снупи» на короткое время испытал сильный страх. Автоматическая система управления лунного модуля заставила двигатели маневрирования работать в усиленном режиме. Лунный двигатель начал выходить из-под контроля, и Сернан выругался: «Сукин сын… Что произошло, черт побери?» Экипаж восстановил ручное управление через восемь долгих секунд; сбой оказался легко устранимым.

Оставшаяся часть полета прошла, как было запланировано. Теперь Америка отправила к Луне шесть астронавтов, и они благополучно вернулись домой. Ничто не стояло на пути к посадке на Луну. Однако был неотступный страх, что русские могут обойти Соединенные Штаты в этот ответственный момент. Хотя их намерения были окутаны тайной, запуск «Зонда-5», непилотируемого аппарата, с целью фотографирования с окололунной орбиты, вызывал озабоченность у составителей американской космической программы. Отправить на окололунную орбиту высокоавтоматизированный космический аппарат и успешно вернуть его назад, с точки зрения Коллинза, «отражало колоссальные возможности и заставляло многих представителей НАСА нервничать». Запуск еще одного непилотируемого космического аппарата, «Луна-15», находившегося в полете одиннадцать часов, во время фактической посадки на Луну в 1969 году, будет также вызывать подобные предчувствия.

Запуск «Аполлона-11» был произведен 16 июля 1969 года. Момент был окружен космической аурой. Накануне запуска НАСА просто сделало сообщение для прессы, в котором говорилось, что целью полета «Аполлона-11» будет «осуществление пилотируемой посадки на Луну и возвращение на Землю». В узком смысле, исключительное космическое предприятие продемонстрирует достижение «национальной цели» — совершить успешную пилотируемую посадку на Луну к концу того десятилетия. И все-таки оно реализует значительно более грандиозную мечту, суть которой НАСА выскажет сдержанно и осторожно: «Если полет „Аполлона-11“ пройдет успешно, человек осуществит свою вековую мечту пройти по другому небесному телу».

В этом дерзком предприятии участвовал экипаж из трех человек, и полет к Луне был долгим. На Луну высадятся два астронавта и обследуют ее поверхность. Они соберут образцы лунной породы, проведут научные эксперименты, чтобы передать на Землю важные данные, и сфотографируют посадочную площадку и окружающий ландшафт. Чтобы отметить историческое событие, исследователи «Аполлона-11» оставят на Луне табличку с изображением карты Земли и следующей надписью:

Экипаж, отобранный для выполнения миссии «Аполлона-11», приступил к выполнению своей задачи, имея значительный опыт и знания. Командир «Аполлона-11» Нейл Армстронг, в прошлом летчик-испытатель, получил добро первым ступить на лунную поверхность. К нему присоединился пилот Эдвин Олдрин, совершивший опасную посадку лунного модуля. Майкл Коллинз будет оставаться в качестве пилота в командном модуле. Бывший пилот морской авиации с боевым опытом войны в Корее, Армстронг пришел в НАСА гражданским человеком; его товарищи по экипажу были оба опытными пилотами ВВС. Коллинз, признанный ветеран программы «Джемини», оставил проницательные характеристики двух своих товарищей по экипажу «Аполлона». Армстронг, как его описывал Коллинз в своих мемуарах, был хладнокровным в критических ситуациях, трудолюбивым и внешне бесстрастным — «сложную и быстро меняющуюся ситуацию он полностью держал в своих руках». В Олдрине, втором человеке, ступившем на Луну, Коллинз видел целеустремленного коллегу, «всегда занятого делом» во время подготовки к их исторической миссии. Однако Коллинз вспоминал, что Олдрин, «в общем тихий и неразговорчивый», мог бесконечно толковать о своем «любимом проекте». Олдрин имел степень доктора философии в области астронавтики, полученную в Массачусетском технологическом институте.

Запуск «Аполлона-11» был для НАСА напряженным событием, которое прошло без каких-либо технических сбоев, снова продемонстрировав впечатляющую мощь и надежность гигантской ракеты «Сатурн-5». Экипаж «Аполлона-11» назвал свой командный модуль «Колумбия», а лунный посадочный модуль — «Орел». Выйдя на орбиту, экипаж получил долгожданный приказ к переходу на окололунную орбиту, и двигатель третьей ступени «Сатурна-5» был повторно включен, чтобы вывести космический корабль по направлению к лунной траектории. Во время своего трехдневного полета «Аполлон-11», как и во время других путешествий к Луне, повторил маневр регулирования температуры прошлых лунных миссий. При этом космический корабль располагался боком к Солнцу, а затем медленно вращался, по словам одного астронавта, «как цыпленок на вертеле автоматического барбекю». Переход на траекторию к Луне прошел по сценарию двух предыдущих полетов, «Аполлона-9» и «Аполлона-10». Достигнув лунной орбиты, космический корабль «Аполлон-11» замедлил свое движение, перейдя на двухимпульсный режим (работа двигателей с двумя периодами), чтобы войти в гравитационное поле Луны. Оказавшись на новой орбите, «Аполлон-11» следовал по почти круговой траектории на высоте 96 км над лунной поверхностью. Последовали перемещение и стыковка лунного модуля, повторившая хорошо отработанный маневр извлечения его из третьей ступени «Сатурна» для стыковки с командным модулем. На четвертый день все было готово для снижения на лунную поверхность.