1969年7月16日美國東部時間9時32分，在卡納維拉爾角聚集了上百萬人，觀看“阿波羅”11號飛船升空的壯觀景象。這一天天空晴朗，萬裏無雲，一枚“土星”5號運載火箭托著“阿波羅”11號飛船送入太空，飛船經過3天飛行後，於19日12時進入月球引力圈，飛行完全正常。20日淩晨，飛船到達距月球4500千米處，接到休斯敦飛行指揮中心的指令，飛船輔助發動機啟動，飛船減速，開始進入遠月點313千米、近月點113千米的月球軌道。經過2圈飛行，把軌道降到遠月點121千米、近月點101千米，繞月球一圈約2小時，有三分之一的時間在月球背麵飛行。在月球軌道上，航天員們做好了登月準備，阿姆斯特朗和奧爾德林進入登月艙，這個艙以“鷹”命名；科林斯則留在指令艙，這個艙以“哥倫比亞”命名。兩艙開始用呼號與休斯敦飛行指揮中心聯係，等待分手。
21日淩晨2時許，在飛船飛行到第13圈時，登月艙與指令艙分離。“鷹”艙點燃降落火箭，向月麵飛去。在“鷹”艙以8米每秒的速度下降到離月麵150米高處時，阿姆斯特朗發現艙下有一個直徑大約180米的大火山口。他手握操縱杆，給登月艙加足馬力，在5時17分避開亂石嶙峋的危險地方，選擇了最好的平坦著陸點，最後在月麵“靜海”的一角平穩降落，登月成功。阿姆斯特朗向地麵飛行指揮中心報告：“休斯敦，這裏是靜海穀地，‘鷹’已安全著陸。”在地麵指揮的航天員查爾斯·杜克回答說：“祝賀你，靜海。你們跨越了濠澗，踏上了成功的彼岸，我們現在終於能喘口氣了。”阿姆斯特朗向窗外眺望，眼前展現出一個遍布隕石坑和大石塊的陌生世界。他和奧爾德林都迫不及待地希望走出去看一看這塊神秘的地外之地。他們認真檢查了艙內儀器、燃料裝置、著陸設備和氧氣供應情況，調查了周圍環境能否允許長時間停留，讓地麵控製中心對自己的健康狀況進行一次檢查。當一切都經過精確無誤的核對之後，按地麵指令，人類踏上月麵的曆史性時刻終於來到了。
11時56分，阿姆斯特朗打開“鷹”艙艙門，站在5米高的平台上，走下扶梯，幾級台階走了3分鍾，左腳先邁上月球第一步。在地球上收看電視的大約5億人，用驚奇的眼光從屏幕上看到了第一個地球人踏上月麵瞬間的情景。阿姆斯特朗在月麵上留下了第一個長約32.5厘米、寬約15厘米的人類腳印。他後來在敘述邁上月麵第一步看到的景象時說：“月麵是美麗的，仿佛上麵鋪著一層細細的炭粉，可以清楚地看到腳印。‘鷹’的支架好像陷了進去，實際上立得很穩。走路並不那麼困難，比在地麵模擬訓練輕鬆多了。”19分鍾後奧爾德林緊步阿姆斯特朗的後塵，從登月艙小心翼翼地走下來。當他走到月麵上時，不禁叫喊起來：
“啊，太美了廠但他環顧四周，又感慨萬千地說：“這真是一個荒涼而孤寂的世界。”
美國總統尼克鬆在白宮同月球上的兩位航天員通話，他說：“今天，對每個美國人來說，是一生中最值得自豪的日子，對全世界的人類來說也是如此。由於你們的成功，太空已成為人類世界的一個組成部分。”他們在接受了地麵人員的祝賀後，開始在月麵開展實驗活動。首先在月球上安放了一塊金屬紀念牌，上麵鐫刻著：“1969年7月，這是地球人在月球首次著陸的地方。我們代表全人類為和平而到達這裏。”然後豎起一麵美國國旗。阿姆斯特朗在月麵搜集月球岩石標本，和奧爾德林一起安裝激光反射鏡、太陽風探測裝置和月震測量儀，用攝像機拍攝月麵照片。由於月球的引力隻有地球的六分之一，在月麵上行走，就像袋鼠那樣雙腳跳躍著前進，顯得輕飄飄的。他們在月麵活動了2小時31分30秒，搜集月球岩石土壤標本24.4千克。地麵控製中心告訴阿姆斯特朗：“你們把能拿到的一切都放人盒子裏帶回來。”於是，他們把月球岩石土壤標本帶回登月艙，關緊艙門，然後啟動發動機告別靜海，返回“哥倫比亞”指令艙，與相別28小時的科林斯在月球軌道上會合。
7月22日13時56分，阿姆斯特朗奉命指揮“阿波羅”11號飛船離開月球軌道，踏上返回地球的旅途。24日上午，在飛船返回途中，阿姆斯特朗通過電視向地麵發表了最後一次談話，他說：“一百年以前；法國作家儒勒·凡爾納寫了一本關於月宮旅行的小說，他的宇宙飛船‘哥倫比亞’號從佛羅裏達出發，結束月宮旅行後，降落在太平洋。現代的‘哥倫比亞’