登月计划的最终实现需要一系列严谨的科学试验，为此NASA实施了“水星”和“双子星座”计划。“水星”计划是将宇航员送上太空，以测试人在太空中的活动能力；“双子星座”计划有两个目的，一是测试人在太空中长时间停留可能引起的生理问题，二是将两个航天器在太空中进行对接，从而奠定登月技术的基础。
“双子星”号10次成功的飞行为NASA积累了把宇航员送上月球表面并使其安全返回所需的技术知识和经验，为下一步实施的阿波罗登月计划打下了坚实的基础。1966年，当“双子星”12号最后一次飞行使命结束时，NASA决定于次年2月举行阿波罗号的首次飞行。经过严格选拔，卡斯·格里桑、艾德·怀特和罗杰尔·沙菲将参加阿波罗的首次飞行。
从最初的形势来看，阿波罗计划的实施很不顺利。1963年，阿波罗计划的批准者和美国太空计划的精神鼓动者肯尼迪总统遇刺身亡。在1967年预定的首次飞行中，飞船的驾驶舱着火，上述三名宇航员全部窒息死亡，但继任的约翰逊总统和NASA决心要继续干下去。
宇航员格伦在飞船失事前几周说过：“如果我死了，我们想让人们接受这一事实。我们所进行的是一个冒险的事业，我们希望，如果我们发生了意外，这一计划将不会因此而延误。”阿波罗登月计划最终能够实现，是与所有参与这一计划的人的毅力和勇气分不开的。阿波罗计划遭遇的挫折和后续行动，让世人看到了美国人永不言败和开拓进取的精神。
时间转眼到了1968年，肯尼迪总统宣布的要在60年代末把宇航员送上月球的挑战期限正迅速临近。同年10月11日，NASA首次成功发射了有人驾驶的阿波罗7号太空船，令美国人的希望复燃。这艘太空船搭载由火箭天才冯·布劳恩设计的“土星V号”巨型火箭升空，飞行结果证明了重新设计的阿波罗太空船没有什么问题。两个月后，鉴于情报部门显示，苏联打算在12月份左右进行一次围绕月球轨道的飞行，NASA遂决定提前进行绕月飞行试验。阿波罗8号太空船载着三名宇航员飞出地球轨道，在圣诞节前一天进入月球轨道，绕月飞行了10圈，然后回到地球。
在返回过程中，宇航员罗威尔向世界宣布：“请转告各位，真的有一位圣诞老人。”1969年3月，阿波罗9号上的宇航员在地球轨道上成功地练习了会合与对接技术。5月，阿波罗10号的宇航员进入月球轨道重复进行了阿波罗9号的使命，当它绕月飞行时，宇航员们把登月舱和飞船分开，两名宇航员乘坐登月舱降到离月面15公里的地方，然后又爬升回来与飞船重新会合对接。阿波罗7、8、9号所取得的成功令NASA赢得了时间，使他们能够把阿波罗10号的飞行试验作为“额外的保险”。
在阿波罗计划实施的过程中，美国把月球探测与载人登月计划结合起来，先后执行了“徘徊者”、“勘测者”和“月球轨道环行器”计划。“徘徊者”探测计划于1961年至1965年实施，共发射了9个探测器，后三个成功拍摄到1.8万张月球表面照片，以了解飞船在月面着陆的可能性。“勘测者”探测计划从1966年至1968年实施，共发射了7个探测器，有5个在月面软着陆成功，通过电视发回8.6万张月面照片，还探测了月球的土壤特性。
“月球轨道环行器”计划自1966年至1969年实施，共发射了5个绕月飞行探测器，为飞船预选着陆区提供了高分辨率照片，据此选定了10个登月点。美国一系列的月球探测计划，为阿波罗11号成功登月铺平了道路。
至此，人们已有充分的信心和把握开始人类的月球之旅。1969年对美国而言意义重大。NASA要在这一年实现肯尼迪总统向世界宣布的登上月球的目标，现在一切准备就绪。早在1865年，法国著名的科幻小说家儒勒·凡尔纳就曾写过一本《从地球到月球》的小说，书中虚构的太空船叫做哥伦比亚号，三名宇航员乘坐这艘太空船在佛罗里达被巨型大炮射上了月球。
令凡尔纳意想不到的是20世纪的美国人居然会忠实地执行他的设想。十分有趣的是，阿波罗11号的三名宇航员阿姆斯特朗、奥尔德林和科林斯也把自己乘坐的太空船命名为哥伦比亚号，这次发射现场就在位于佛罗里达的肯尼迪航天中心。
1969年7月16日，激动人心的时刻终于到来了。这一次，阿波罗11号要去进行一项亘古未有的事业——登月。在肯尼迪航天中心，发射前的工作正在有条不紊地进行着。3、2、1、0，发射！巨大的土星5号火箭徐徐离开地面。这时早已在肯尼迪航天中心等候观看发射的各国记者爆发出雷鸣般的掌声。阿波罗11号上的三名宇航员都是优秀的飞行员，曾经乘坐双子星飞船进行太空飞行试验。
这虽然是一次危险的旅行，可宇航员们为了这激动人心的一刻已经训练了很久。他们清楚自己应该怎么做。“一个人，当他充分发挥自己的力量，干完一桩事业的时候是最幸福的。”这是指令长阿姆斯特朗的一句口头禅。奥尔德林曾经成绩不佳，当他决定成为一名飞行员时，发起了向学习的挑战，终于如愿以偿。科林斯是一位“少说实干”的人，他曾创造飞行4000小时的良好记录，这个记录让他从一名试验飞行员变成了一位宇航员。
飞船飞快地驶向月球，把地球远远地甩在身后。宇航员透过窗户可以看到地球。地球非常漂亮！它闪闪发光，看起来就像挂在太空中的大球。宇航员们乘坐飞船进入绕月轨道以后，指令长阿姆斯特朗和宇航员奥尔德林进入被他们称为“鹰”的登月舱，科林斯继续留在被称为“哥伦比亚”的母船上，然后宇航员们把登月舱和母船成功分离。科林斯驾驶母船继续绕月飞行，以便与登月舱对接，另外两位宇航员驾驶的登月舱向月面减速下降，准备着陆。
计算机按照预定的程序控制着登月舱的飞行方向。起飞之前，地面科学家已经将着陆程序输入计算机，打算在一块叫做“静海”的地方着陆。然而到了月球上，计算机却无法识别眼前出现的危险情况，两位宇航员只有通过窗外看到的情况来判断。他们眼看就要撞上一个火山坑，指令长阿姆斯特朗决定由他亲自操纵登月舱越过火山口。
他成功了，但是剩下的燃料快耗尽了，他们必须马上着陆，并且一定得找到一个可以起飞返回的地方着陆。1969年7月20日下午3点17分，在休斯顿地面控制中心，人们终于听到阿姆斯特朗让他们等得有点不耐烦的话：“这里是静海。鹰已经着陆。”地面控制中心里爆发出热烈的掌声，人们一片欢腾。
美国东部夏令时间22时56分，指令长阿姆斯特朗穿着肥大的宇航服打开舱门，小心翼翼地走下扶梯，在月球土壤上印下了人类第一个脚印，他毕竟是人类有史以来第一个踏上月球的人。此时这位宇航员说出了一句注定将流传千古的话：“That's one small step for man, one giant leap for mankind.”（对于一个人来说，这只是一小步；可对人类而言，这却是巨人的一跃。）
随后，奥尔德林也下到月面上。当他走到月面上时，第一句话就赞叹道：“多么美丽，多么壮观的荒凉！”两个人的脚印清晰地印在尘土中。现在两个地球人站在月面上，真实的月球世界在太阳光线的照射下呈现出一个千姿百态、变幻无穷、光怪陆离、复杂莫测的世界。在人类未踏上月球之前，人们曾对月球表面作了各种各样的想象，现在人类终于可以了解真实的月球世界了。
两位宇航员首先在月球上放置了一块金属纪念牌，上面镌刻着：“1969年7月，地球人在月球首次着陆处，我们为人类和平来到这里。”接着他们拿出一面国旗插在月面上，然后他们又安放了激光反射器用来测量地球到月球间的准确距离，另外还安放了月震仪和一个用来捕获太阳风粒子的铝箔帆。他们还摄制了月球表面、天空和地球的照片。
就在阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上创造轰动世界、流芳百世的历史时，另一名宇航员科林斯却驾驶着飞船绕月飞行，这种甘当配角的精神同样让人感动。地面控制中心的报告员在广播中不无崇敬地说：“科林斯留在绕月轨道上，除了一架磁带录音机外，真是举目无亲。在绕月飞行的12圈，近10个小时内，月面上的活动充满激情，而他谁与为欢？他体验了自亚当以来任何人都不曾体验过的孤独与寂寞。”
阿姆斯特朗和奥尔德林在月面共停留21小时18分，在舱外活动了2小时21分，其间进行了一系列实地月球考察，然后带上采集的月球土壤和月岩标本，启程返航。登月舱进入月球轨道和母船对接成功后，两位航天员带着月球样品及其他物件，回到指挥舱和科林斯会合，然后抛掉登月舱，使它撞击在月球上并进行一次月震试验。
接着启动了服务舱发动机，飞船逸出月球轨道，正式进入返回地球的航程。7月24日，飞船安全溅落在南太平洋上，从而完成了人类历史上的首次登月探险任务。尼克松总统亲自来到主打捞舰“大黄蜂”号上迎接美国的骄子和勇士们，这在以前的航天活动中是从未有过的。
此后，美国又进行过六次阿波罗飞船登月飞行，技术不断提高，人类在月球上停留的时间越来越长，月球车的使用使宇航员对月球的科学考察和从月球上带回的东西也更加丰富。其间既有辉煌，也有挫折。其中1970年4月11日发射的阿波罗13号飞船，途中由于服务舱氧气箱爆炸遇险，宇航员依靠登月舱的动力装置，并借助绕月飞行的助力，平安返回地球，三名宇航员安然无恙。
这次登月飞行被认为是一次成功的失败。除阿波罗13号飞船外，其他六艘阿波罗飞船，曾载18名宇航员参加登月活动，共有12名宇航员登上月球。阿波罗计划原定进行19次飞行，但在美国国内认为耗资过大的舆论压力下，最后以阿波罗17号飞船安全返回而于1972年12月宣告结束。
整个“阿波罗”登月计划历时约11年，耗资255亿美元。参加此项工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万。在这样短的时间内，动员如此巨大的人力，解决这样多而困难的技术问题，这在科学技术史上从未有过。
从这个意义上讲，科学管理是大型科技工程成功的根本保证，有人把它叫做“管理上的革命”——将政府、工业部门和大学结合成一体。迄今为止，还没有哪一个计划能在规模和资金上超过它，“阿波罗计划”堪称20世纪人类最宏伟的工程之一！
登月成功还使美苏的太空竞赛发生了戏剧性的转变，这标志着美国在空间技术领域赶上并部分超过了苏联。美国作为航天技术超级大国的形象得到加强和巩固，为美国赢得了国际声誉。“阿波罗计划”的成功实施，推动了许许多多相关学科及技术的发展，为以后航天空间技术和宇宙飞行的发展打下了扎实的基础，加快了人类向更神秘、更遥远的星际航行的探索步伐。
此外，人类在宇宙空间观察地球，对它产生了新的认识。诚如宇航员欧文所说的那样，阿波罗宇航员们“对地球获得了一种新的理解。我们从极远处看到了它，我们从月球上观看了它，我们认识到只有地球才是我们所了解的人类唯一的家园，我们应当爱护它”。
