當飛船進入奔月軌道後，母船與登月艙分離，旋轉180°，指令艙錐頂與登月艙對接，對接後將登月艙從金屬罩內拉出來，並和第三級火箭分離。然後阿波羅飛船重新調整好方向，登月艙在前飛向月球。當宇航員返回母船後，登月艙再次與母船分離，被拋棄在月球軌道上，隻剩下母船繼續飛行。當服務艙完成返回製動任務後，也與指令艙分離，最後隻剩載有宇航員的指令艙返回地球。
阿波羅飛船的頂部有一個緊急脫險裝置（也稱救生塔），一旦發射失敗，它會使飛船與運載火箭脫離，如果發射順利，飛船上升後就把它拋棄。
在正式登月前，美國共發射了10艘阿波羅飛船做試驗，其中“阿波羅”7-10號是載人飛行，“阿波羅8”號進行了10次繞月球軌道飛行，這促使前蘇聯人抱有的在登月方麵戰勝美國的希望完全破滅，退出了這場競爭；“阿波羅10號”模擬了除登月外的整個飛行過程。至此，登月時機已成熟！
阿波羅飛臨月球
1969年7月16日，100多萬來自各地的觀眾、記者、外國大使、武官及美國總統聚集在卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射場，等待“阿波羅11號”飛船的發射，電視台也對首次登月進行實況轉播，使全世界的人能觀看和聽到登月現場轉播。美國東部時間9時32分，“土星-5”火箭點火起飛，不一會兒就消失在天空中。
“阿波羅11”號飛船中乘坐著3名同為39歲的宇航員：尼爾·阿姆斯特朗、艾德溫·奧爾德林和邁克爾·柯林斯。阿姆斯特朗是飛船指揮長，柯林斯為指令艙駕駛員，奧爾德林為登月艙駕駛員。經過4天的飛行，“阿波羅11”號飛船從月背西邊進入月球軌道。這時發動機減速，繞月飛行第13周時，登月艙與指令艙脫離，柯林斯駕駛指令艙繼續繞月飛行，阿姆斯特朗和奧爾德林乘登月艙向月球降落。當距離月球表麵隻有1英裏（1．6千米）時，發現預定著陸點競布滿了巨石，飛船向巨石前方飛去，又是一個大火山口，最後飛船越過火山口，在一塊平坦地方安全著陸，這裏稱為月球靜海地區。阿姆斯特朗身背救生背包，通常稱作輕便生命保障設備，第一個走下扶梯，9階扶梯他足足走了3分鍾，最後邁出左腳踩在月麵上，這時是美國東部時間7月20日晚22時56分，這是世界矚目的、具有劃時代意義的第一步，阿姆斯特朗成為世界上第一位登上月球的人，此時他講了一句非常著名的話：“對於一個人來說，這隻是一小步，但對於整個人類來說，這卻是巨大的一步。”
阿姆斯特朗開始在月球上行走，盡管大背包加登月服總重量約有150千克，但由於月球引力隻有地球的1/6，所以這些東西的重量就變為25千克，走路不太吃力。大約18分鍾後，奧爾德林也下到月麵上。不久倆人就習慣了在月球上行走，而且發現了一種較好的前進方式——像袋鼠那樣跳躍。
阿姆斯特朗和奧爾德林在月球上逗留了2個多小時，期間他們拍攝了地貌照片，安放了月震儀、激光反射器和捕獲太陽風粒子的鋁箔，收集了各種岩石和土壤標本。最後他們還在月球表麵插上了一麵美國國旗和一塊金屬牌，上麵壓鑄有地球平麵圖及兩人共同署名的一段文字，說明人類首次登上月球。
完成預定任務後，他們乘登月艙起飛，與母船對接返回指令艙，和分別了一天半的柯林斯重逢。最後載有3名宇航員的指令艙7月24日平安降落在太平洋上，由救護艦打撈上來。這次飛行實現了人類登上另一個星球的夢想，標誌著美國航天技術的極大成功。
“阿波羅11號”飛船登月成功後，美國又分別發射了“阿波羅”12-17號在不同地區登月，其中13號登月失敗。為擴大月麵考察範圍，提高效率，從“阿波羅15號”起，均攜帶了可在月麵上行走自如的月球車。“阿波羅17號”的兩名宇航員在月麵上活動時間最長，為22小時5分。6次登月帶回近400千克月岩和土壤標本，每次都在月球上放置一些儀器，並在月球軌道上發射了月球衛星。至此，美國結束了阿波羅登月計劃。
阿波羅登月計劃在技術上和科學上的成就是巨大的。技術上解決了人類登月和在月麵上的生活等一係列難題，代表了載人飛船發展的最高水平；在科學上使人類更多地了解了月球。美國為這個計劃也付出了巨大的代價，除了運載火箭、飛船的研製外，還重新研製了宇航服（每件約價值10萬美元），訓練宇航員，保證宇航員在太空中至少8天的停留時間。因此，在人們為第一位登上月球的宇航員歡呼時，殊不知在他的背後有多少人在默默工作著，有多少人經曆了艱難險阻，經曆了多少失敗與挫折，為這個計劃甚至還犧牲了3名優秀的宇航員。