在“鷹”號降落月麵6個小時後，地麵指揮中心同意了他們要出艙的一再要求。兩人在艙內吃了在月麵上的第一餐：8塊幹鹹肉方腿，4塊家常小甜餅，一罐桃子汁以及咖啡、菠蘿、葡萄等水果飲料，又穿上了特殊的“航天服”，背著科學儀器和供氧瓶，打開了艙門和電視攝像機，來到了高達5米的平台上。頓時，一個奇妙的天地同時映入了世界6億多觀眾的眼簾之中：一片陽光照耀下的月麵上，滿目都是大小岩石和塵埃。除了兩個宇航員外，再也沒有其他生命，也沒有任何細微的聲音。阿姆斯特朗由於還未適應這個全新的環境，四肢又失去了平時少不了的觸覺，輕飄飄的身體反而使他動作顯得十分笨拙，走起來踉踉蹌蹌，簡直無法下舷梯。試了幾次後，還是在身後奧爾德林的“指點”下，才一步一步地跨下來。即使如此，這區區九級台階竟花了20分鍾時間！
1969年7月20日晚10時56分（格林尼治時間7月21日4時56分北京時間21日12時56分），阿姆斯特朗的左足終於踏到了月球表麵上，在月麵上留下了人類的第一個足跡。這時，全世界都聽到了他富有哲理的一句話：“對一個人來說，這是一小步，但對人類來說卻是一大步！”的確，這跨過了38萬千米的一大步，也是跨越了五千年的一大步！他這一步踏在靜海的西南部，月麵位置是北緯0°41′，東經23°26′——這裏後來被命名為“靜海基地”。
19分鍾後，奧爾德林也踏到了月麵上。他們的活動狀況頃刻就出現在地麵的電視機上，因為電波傳過月球的38萬千米隻需13秒時間。他們兩人在剛剛還視為畏途的舷梯上跳上跳下，情不自禁地呼喊著：“哦，美啊！”“太好了，好極了，美極了！”
他們開始漫步了。開始時，兩人簡直難以舉步，搖搖晃晃地活像兩個醉漢。用奧爾德林的話說：“你要非常小心記住自己的質量中心在什麼地方，有時要走兩三步才能弄清你身下還有兩隻腳。”加上月麵上強烈的黑白反差，使電視機前的人們看來似乎不像是真的，倒像是兩個機器人似的。但沒過多久，他們適應了過來，他們開始用跳蹦的方式來行走，就像袋鼠那樣跳躍著前進。
他們開始工作了，首先把一麵美國星條旗插在了月麵上。它寬3英尺，長5英尺，並由細鐵絲弄直了（因為月麵上沒有風，不這樣做旗子就無法展開來）。登月艙的外殼上還有一塊不鏽鋼的標牌，上麵用英語寫著：“公元1969年7月，人從地球來到月球，第一次踏上了月球，我們代表全人類和平來此。”登月任務完成後，這塊標牌連同外殼一起永遠遺留在了月麵上。除此之外，他們帶到月球上的紀念品還有73個國家元首的親筆信，以及為紀念不幸殉難的航天員的徽章等。
兩人在月麵上做了幾項科學實驗。2小時47分以後，他們帶了22千克月球岩石回到艙內。7月22日吃了一餐，睡了一覺。他們在月麵上停留了21小時37分鍾後，懷著惋惜的心情，心痛地拋棄了已完成曆史使命的登月艙，乘著它的上半部分回到了柯林斯的身邊。除了帶有四條細長支腿的“鷹’的外殼部分外，他們還丟下了幾架照相機，步行時笨重的靴子，一些儀器的包裝盒子，一根鋁杆，兩隻背包及一些不再需要的雜物，以最大程度地減輕負荷。在他們與柯林斯會合後，連這支小火箭（登月艙的最後部分）也被扔出了飛船，成為太空中的一塊廢物。
返回地球時十分順利。60小時以後，飛船重入大氣層，最後濺落在太平洋上，與原定的濺落時間隻差了10秒鍾。要知道，飛行100萬多千米才差10秒，這是多麼不容易啊！飛船落水時，距打撈他們的航空母艦“大黃蜂號”不到20千米，尼克鬆總統也在艦上參加了歡迎他們歸來的隆重儀式。
9個月後，“阿波羅12號”又降落於月麵風暴洋東南部，它離當年“勘測者3號”在1967年4月19日的著陸點隻有180米。所以兩名宇航員還從這個舊探測器中拆下了一架照相機——後來，從它中間培養出了地麵上的細菌。這說明地球上的某些細菌，在月球嚴酷的自然條件下，至少能存活兩年多時間。它還製造了一次人造隕星撞擊月球的試驗，引起了持續時間達55分鍾的一次“月震”。
“阿波羅”計劃造就了24個“月球人”，24人次到廣寒宮作了客，其中12人踏上了月麵。同時還把四輛“月球車”運上了月麵。其中“阿波羅”15、16號在環月軌道上還各發射了一顆“人造月球衛星”。17號的宇航員則在月麵上挖了三口深約3米的“井”（當然是不會有水滲出來的幹井）。12個宇航員一共做了幾十項科學實驗與勘測，拍攝了15000多張清晰的月球近距照片和長達12千米的電影膠卷，帶回了380千克月岩和大量的月壤，取得了極其豐碩的成果。而且，許多登月尖端技術已被移植到工農業及醫療中，取得了巨大的經濟效益。