"Lunar Orbiter I" ("Lunar Orbiter А") предназначался для фотографирования девяти участков экваториальной зоны лунной поверхности с целью определения их пригодности для посадки лунного модуля "Apollo"; для изучения радиационной и метеорной обстановки по трассе полета и в районе Луны; для уточнения параметров гравитационного поля Луны и испытания бортового оборудования.

Запуск "Lunar Orbiter I" был произведен 10 августа 1966 года со стартового комплекса № 13 мыса Канаверал ракетой-носителем "Atlas-Agena D". Двигатель второй ступени вывел аппарат на промежуточную круговую орбиту высотой 185 км, по которой они обращались 28 минут, после чего двигатель был включен вторично, отправив "Lunar Orbiter I" на траекторию полета к Луне. 14 августа была включена двигательная установка, и аппарат был выведен на начальную селеноцентрическую орбиту. 15 августа, на 6-м витке, для проверки бортового и наземного оборудования была проведена пробная передача изображений с заранее подготовленной тестовой пленки. Переданные с аппарата сигналы были приняты станциями слежения в Голд-стоуне и Робледо-де-Чавела. 18 августа началось нормальное фотографирование. 29 августа, на 57-м витке, фотографирование было завершено. Всего от двух камер было получено 212 пар снимков, охватывающих площадь около 5,2 млн кв. км. За восемь недель полета (до 9 октября) вокруг Луны детекторы не зарегистрировали ни одного пробоя метеорным телом. 29 октября была произведена операция по уничтожению аппарата "Lunar Orbiter I". Сделано это было для того, чтобы его сигналы не мешали связи с аппаратом "Lunar Orbiter II", запуск которого планировался на ноябрь 1966 года. По команде с Земли была включена двигательная установка, аппарат сошел с орбиты, а через час упал на обратную сторону Луны.

"Lunar Orbiter II" ("Lunar Orbiter В") был запущен в космос 6 ноября 1966 года и через четыре дня вышел на селеноцентрическую орбиту. 18 ноября, на 52-м витке, начался сеанс фотографирования первого из намеченных участков. В дальнейшем были получены снимки всех 13 участков, всего — 211 снимков от каждой камеры. 6 декабря отказал бортовой передатчик и передача снимков прекратилась. Полученные снимки позволили в дальнейшем выбрать пять потенциальных районов, пригодных для посадки лунного модуля корабля "Apollo". После выполнения программы 11 октября 1966 года по команде с Земли была включена двигательная установка, и аппарат упал на обратную сторону Луны.

"Lunar Orbiter III" ("Lunar Orbiter С") стартовал 5 февраля 1967 года. Для фотографирования было выбрано двенадцать участков в экваториальной части видимой стороны Луны, расположенных между Морем Плодородия и Океаном Бурь. 15 февраля, на 44-м витке, началось фотографирование лунной поверхности, В первом сеансе фотографирования каждая камера сделала по 32 снимка. Из-за сбоя не удалось получить весь комплект телекадров, но 182 нар снимков хватило, чтобы признать программу выполненной. Анализ снимков лунной поверхности позволил сделать вывод, что 8 из 12 сфотографированных участков могут использоваться для посадки лунного модуля корабля "Apollo". Был сфотографирован участок" где совершил посадку аппарат "Surveyor 1": на полученных снимках удалось обнаружить аппарат в виде белого пятна и отбрасываемую им тень. 9 октября была произведена операция по уничтожению аппарата "Lunar Orbiter III" упал на невидимую сторону Луны.

"Lunar Orbiter IV" ("Lunar Orbiter D") отправился к Луне 4 мая 1967 года. Этот аппарат не должен был подбирать места для посадок модулей "Apollo" с его помощью предполагалось фотографирование с полярной селеноцентрической орбиты всей видимой стороны Луны и некоторых районов обратной стороны для составления карты Луны. 11 мая по команде начался первый сеанс съемки. 26 мая фотографирование прекратилось из-за неполадок в системе обработки пленки. К 1 июня передача снимков завершилась — всего было получено 163 пары снимков. Фотографирование охватило около 99 % поверхности Луны с разрешением на порядок большим, чем обеспечивается телескопами при наблюдении с Земли. Земные астрономы впервые увидели снимки полярных районов Луны, сделанные почти вертикально. Для определения возможного влияния аномалий гравитационного поля Луны на орбиту, "Lunar Orbiter IV" предполагали перевести на более низкую орбиту. 8 июня был осуществлен маневр, но 24 июля связь с аппаратом была потеряна. 6 октября "Lunar Orbiter IV" упал на Луну под действием гравитационных сил.

Очередной, и последний, орбитальный аппарат "Lunar Orbiter V" ("Lunar Orbiter Е") должен был выполнить повторное фотографирование пяти участков лунной поверхности, которые по телекадрам, переданным предыдущими аппаратами "Lunar Orbiter", были признаны потенциально пригодными для посадки лунного модуля корабля "Apollo". Запуск состоялся 1 августа 1967 года. 18 августа съемка была закончена, а передача снимков на Землю завершилась в начале сентября. Всего было получено 212 пар снимков. До конца января 1968 года аппарат передавал данные о метеорной и радиационной обстановке, использовался для юстировки средств командно-измерительного комплекса по программе "Apollo". 31 января 1969 года была произведена операция по уничтожению аппарата — "Lunar Orbiter V" упал в экваториальной части видимой стороны Луны, на одном из участков, выбранных для посадки лунной кабины корабля "Apollo". Обломки собирались использовать в качестве ориентира для астронавтов.

Таким образом, к началу 1968 года была завершена десятилетняя программа США по изучению Луны и окололунного пространства автоматическими аппаратами. Исследования дали американцам уверенность в том, что полет человека на Луну вполне возможен. Больше того, были определены участки для посадки лунных модулей кораблей "Apollo". В отличие от своих литературных предшественников, первые межпланетные путешественники собирались отправиться не в "слепой полет", а имея на руках достаточно подробные карты.

Мобилизация ресурсов США на реализацию первой пилотируемой экспедиции на Луну была сравнима с первоочередными программами военного времени, в первую очередь с атомным проектом. На ракеты-носители "Saturn" и корабли "Apollo" было ассигновано 19,4 миллиарда долларов в ценах тех лет, а вместе с техническими и стартовыми комплексами и испытательными стендами программа обошлась в 24 миллиарда долларов. В самый напряженный период, в 1966–1967 годах, на "Apollo" приходилось около 70 % бюджета НАСА. В работах участвовало почти полмиллиона человек и около двадцати тысяч фирм.

Местом старта лунных экспедиций был выбран район мыса Канаверал во Флориде, где уже работал ракетный испытательный полигон ВВС США. Побережье к северу от него и часть острова Меррит занял созданный в июле 1962 года Центр стартовых операций НАСА (в ноябре 1963 года его переименовали в Космический центр имени Кеннеди).

В мае 1963 года на острове Меррит заложили фундамент гигантского монтажно-испытательного корпуса — здания вертикальной сборки высотой 165 м. Два года спустя его уже сдали под монтаж оборудования. В 5 км от него, на берегу океана, в 1963–1966 годах были выстроены два стартовых комплекса, LC-39A и LC-39B, для ракет "Saturn V". Еще два комплекса, LC-34 и LC-37B, были построены для ракет "Saturn I" и "Saturn III".

При разработке такой грандиозной ракетно-космической системы, как "Saturn-Apollo", центральной становилась проблема надежности. И программа отличалась беспрецедентным размахом стендовой наземной отработки как отдельных блоков, так и всего комплекса в целом.

На создание стендовой базы потребовалось около пяти лет: три года — на проектирование, два — на строительство. Противники строительства полномасштабных стендов считали такую методику весьма неразумной и затратной, но она принесла свои плоды. И одно из важнейших событий программы "Apollo" произошло 16 апреля 1965 года, когда на стенде была испытана первая ступень ракеты "Saturn V" в полной сборке. Именно на такой стенд у Сергея Павловича Королева не хватило денег, что и привело к краху проекта ракеты "Н-1".