世界真正進入航天時代的標誌是蘇聯宇航員尤裏·加加林環繞地球飛行，那天是1961年4月12日。
正如布勞恩等科學家所預料的，美國政府對蘇聯的勝利很快就做出了反應。5月25日，肯尼迪總統在國會上發表講話，他說：“美國應保證在這個10年中，把一個美國人送上月球。”肯尼迪提出的登月計劃就是後來著名的“阿波羅計劃”。
在登月計劃開始之前，需要進行一係列載人航天飛行。載人航天是以水星計劃開始的，布勞恩的團隊一開始就介入了這個計劃。他們製訂了一個分三個階段的飛行試驗計劃。
第一階段，用“紅石”導彈把人送上彈道；第二階段，用“丘比特”導彈把人送入更長的彈道；在最後一個階段，阿特拉斯洲際彈道導彈把載人航天艙射入軌道。為了對航天艙及其降落傘係統進行初步試驗，將使用一組“小兵號”固體燃料火箭。
水星計劃的基本任務是把一個人送入軌道，試驗他在空間的活動能力，並使他安全返回地麵。對這種航天器規定了嚴格的要求。它必須有一個可靠的脫離係統，萬—在發射之前、發射過程中或發射之後發生事故時，可以把駕駛員救出來。
這種脫離係統必須是駕駛員可以控製的，能在水上降落。它載有能使它離開軌道開始返回地球的製動火箭。著陸不是靠滑翔。它將沿著彈道下降，最後降落傘展開，以控製其降落。
這個計劃開始時舉棋不定，一拖再拖，試驗遭到一連串失敗。全美國都在期待著水星計劃的成功，期待著美國趕上已經在許多方麵領跑的蘇聯人。蘇聯的空間壯舉可以說是接二連三。美國為了擊敗蘇聯，動員了大量資源和優秀技術力量。但是因為國家航空航天局機構變得越來越複雜，越來越龐大，水星計劃反而被忽略了。
直至1960年春天，第一次發射才準備就緒。這就是“MA-1”或稱為“水星-阿特拉斯1號”。密封艙於5月23日運到肯尼迪航天中心，但是無數的技術困難使發射拖延到7月29日。
終於，在這一天上午7時25分，老天作美，著陸地區的天氣不錯，回收船和回收飛機報告，能見度為8000米，海浪不大。第一次發射要達到的目的很簡單：回收不載人的密封艙，確定其結構完整性、重返大氣層時的加熱率、飛行特性和密封艙回收係統是否合乎要求，並使水星計劃全體人員熟悉發射和回收操作。
9時13分，火箭點火，“阿特拉斯號”從發射場上慢慢升起。幾秒鍾後，消失在雲層之中，一路上發出“隆隆”轟鳴。起初一切似乎都很好，接著又全都出了毛病。
起飛後一分鍾，失去了與“阿特拉斯號”的一切聯係。通信和其他記錄儀出現了很大的空白。在所有的儀表讀數消失之前不久，燃料和液氧箱之間的壓差降到零點。顯然，“阿特拉斯號”不是爆炸，就是發生了災難性的結構損壞。飛行器在距海岸大約11000米地方掉進海裏，無法回收。
1960年11月8日，在弗吉尼亞州瓦洛普斯島發射“小兵5號”火箭。“小兵5號”載著“水星密封艙3號”，用“小兵5號”作為密封艙樣品的首次合格檢驗飛行，試驗從高空重返大氣層，並模擬宇航員在起飛早期階段萬一發生故障時遇到的同樣情況，這已經計劃一年多了。
試驗成功的希望隻持續了16秒鍾。當助推器還在猛烈燃燒時，脫離火箭和應急脫離塔的拋投火箭都過早點了火。在整個彈道飛行過程中，助推器、密封艙和脫離塔緊緊連在一起，著陸時撞得粉碎。
這次失敗以後，其他問題成了堆。11月21日發射“MR-1”再次失敗，外界對水星計劃的信心降到了最低點。
商業報刊發表社論，說這個計劃的方向錯了。但是，國家航空航天局繼續幹下去的勁頭是什麼也阻擋不了的。當時航天局來了一位新局長詹姆斯·韋布，他決心把水星計劃幹到底，直至取得圓滿成功。試驗故障和失敗，布勞恩早已司空見慣，在任何一個火箭發展計劃中都發生過。不必感到絕望，但是必須更加苦幹，要付出更大的努力，要有更徹底的獻身精神。這對於布勞恩也不是什麼新鮮的東西。
1961年5月，一枚“紅石”火箭把艾倫·謝潑德中校發射出去，進行亞軌道飛行，使他成了美國第一個在宇宙空間飛行的人。兩個月以後，弗吉爾·格裏森少校進行了同樣的飛行。
繼謝潑德和格裏森的飛行之後，在1962年2月20日，即尤裏·加加林成功地繞地球的10個月後，海軍陸戰隊上校小約翰·格倫登上“MA-6”時，成功地繞地球飛行。
水星計劃中繼續出現事故和麻煩，但是計劃中的所有載人飛行全都成功地實現了。
水星計劃證實了美國航空航天局走的路子是對的，強有力的載人空間計劃可以而且應該繼續進行下去。下一個計劃是雙子星座計劃，這個計劃實際上早在1961年12月7日就已經宣布了，它是水星計劃的延續。
執行雙子星座計劃，是為了在水星計劃和阿波羅計劃之間這段時間內，推進美國的載人航天能力。簡單地說，雙子星座計劃的目標是實施必要的發展和試驗計劃。例如，證實長時間航天飛行的可行性，至少達到完成月球著陸任務所需要的時間；完善為實現兩個航天器在軌道上會合和對接的技術和程序；取得精確控製重返大氣層和著陸的能力；證實艙外活動能力；提高飛行人員和地勤人員在載人航天飛行中的操作熟練程度。
設有兩個乘位的“雙子星座號”航天器和“水星號”的密封艙一樣，也是圓錐形的，但是更重、更大，比“水星號”寬敞一半，需要一枚19萬千克推力的“大力神2號”運載火箭把它送入軌道。同時，“雙子星座號”也複雜得多。
從1964年4月8日至1965年12月，在肯尼迪航天中心發射了一係列不載人和載人 “雙子星座號”都獲得了成功。
其中，“雙子星座7號”成功飛行14天。在飛往月球表麵並且返回地球的這段時間內，飛行人員和航天器令人滿意的表現，消除了之前的許多質疑。此外，“雙子星座號”的飛行使人們對飛行人員能圓滿執行時間更長的飛行任務充滿信心。
更加激動人心的成就之一是成功地發展了兩個載人的航天器在軌道中會合的種種技術。在空間實現會合的能力是阿波羅計劃成功的基礎。在“雙子星座7號”以後進行的每一次飛行，其主要目標都是為了會合。“雙子星座7號”一共完成了10次會合，使用了7種不同的會合方式或會合技術，實現了9次飛船與目標飛行器的對接。
在雙子星座計劃中，確實也出現過許多“近距脫靶”技術問題和設備故障。從一次飛行至下一次飛行，設計上往往有許多更改，但是整個計劃是十分成功的，它確實給全麵的載人航天計劃帶來了巨大的希望。
正當公眾注目於水星計劃和雙子星座計劃的同時，在馬歇爾航天中心，布勞恩的團隊在發展首批“土星號”運載火箭方麵也取得穩步進展。國家航空航天員和國防部聯合組成的“土星號”火箭審定委員會，從4個輪廓草圖中挑選了一個“土星C-1”，後來簡稱“土星1號”，於1959年12月開始研製。
鑒於“土星號”運載火箭用途的性質，空間科學家們稱之為“運載工具”。
至1961年，已經確定用“土星1號”作為新的3乘員載人宇宙飛船的實驗用運載器，飛船暫時定名為“阿波羅”。
第一枚“土星號”命名為“SA-1號”，於1961年10月27日在卡納維拉爾角發射升空。1964年5月和9月，“SA-6號”和“SA-7號”又分別成功把模擬的阿波羅密封艙送入軌道。
這兩次飛行表明，飛船和運載工具配合良好，代表著當時美國推力最大的火箭運載工具獲得空前成功。
在“土星SA係列”火箭之後，布勞恩又開發了推力更大的“土星1B”火箭。“土星1B”高68米，直徑66米，滿載時重650噸。火箭的總體設計由布勞恩完成。
布勞恩認為，“土星5號”要取得成功，就需要集中工業界最優秀的工程設計和管理才能。把整個工程分成若幹部分，分包給那些有較高資質的承包商，就可以使更多的高級人員為這個計劃出力。
布勞恩為承包商製定了技術標準和質量要求，並嚴格驗收。他經常警告大家，不能有任何粗心大意，要保持一切管道、閥門和燃燒室的清潔。他要求全體工作人員和承包商每項工作都要像瑞士手表那樣準確，不能出現任何差錯。
北美航空公司、波音公司、克萊斯勒公司等都是火箭製造的主要承包商，他們對布勞恩的敬業精神深有感觸，也深表敬佩。
“土星1B”火箭研製工作進展有序而快速，1965年4月1日，在亨茨維爾首次進行第一級的試射。兩個月以後，在加利福尼亞州薩克拉門托，第二級也在測試設備上通過了驗收。
1966年2月26日，“土星1B”火箭帶著一個不載人的阿波羅航天器在肯尼迪發射中心進行了首次亞軌道飛行，達到了預計高度。“土星1號”和“土星1B”雖然已經是龐然大物，但是要把3名美國人送上月球，還需要更加強大的運載工具。
馬歇爾航天中心裏，數以千計的工程技術人員在布勞恩的帶領下又開始了“土星5號”的研製工作，這是準備把美國人送上月球的運載工具。
“土星5號”是種三級火箭，整個“土星5號”裝配好後總高度達110米，加注燃料後總重量290噸，可以把重約50噸的飛船送上月球，或把150噸的載荷送入繞地球軌道。整個火箭係統及其地麵輔助設備、零件達900萬個。
為了容納巨大的運載工具，必須在肯尼迪航天中心建立同樣巨大的設備。54層160米高的垂直裝配大樓，是世界上最大的建築物。裏麵有4個巨大的隔間，可以同時豎起4枚運載火箭及其航天器，並進行裝配。
1967年11月9日，“土星5號”高高聳立在發射台上，阿波羅指揮艙、服務艙和模擬登月艙等也都準備就緒，就等著發射了。
上午7時，隨著倒計時完畢，“土星5號”騰空而起，飛行過程中，火箭的每一級工作性能都完美無瑕，包括第三級的兩次點火，把指揮艙加速到每小時40000千米，這是模擬它從月球回來時將達到的速度。
起飛8小時37分以後，指揮艙在距離夏威夷大約965千米的太平洋上降落，並且安全回收。126噸的有效載荷也打破了以前的一切紀錄。
在“土星5號”研製成功以後，登月艙也在同時進行改進和完善。12月25日，也就是聖誕節那天，布勞恩和他的團隊在卡納維拉爾角成功發射一枚“土星5號”運載火箭，把弗蘭克·博爾曼及其乘員組駕駛的“阿波羅8號”送入繞月飛行軌道，這是人類有史以來離月亮最近的一天。
實現登月夢想
1969年7月15日，布勞恩休息時，用一個小時的時間檢查第二天早上的發射程序表。這一次一切都和以前大不相同。他隻穿件襯衫，盤腿坐在地板上，望著窗外。
佛羅裏達的夜晚，濕熱而漆黑。他打電話給他的老朋友和同事，肯尼迪航天中心主任庫特·德布斯，祝他明天好運，並核對了一些不很重要的細節。最後他才上了床，仰臥著，在這不尋常之夜，閉著雙眼做禱告。
布勞恩睡得不大好，天沒亮就起床了。他的心思早就飛到幾千米外的肯尼迪航天中心去了。在那裏，巨大的“土星號”月球火箭筆直地矗立在發射架上，它將要去進行人類曆史上最富有劃時代意義的巨大冒險，讓人類首次在月球上登陸。