人类登陆月球的梦想由来已久，现在它即将成为现实。1969年丑月以前，美国航天局除了一项太空旅行必要装备之外，其余所有的设备都彻底经过检验，并已确定其性能。这些装备包括农神五号火箭、指挥舱、机械舱。
惟一未经实验的设备是登月小艇，它的任务是：环绕月球轨道并降落月球表面；从月球表面再回到月球轨道；在月球轨道和指挥舱结合。所有主要装备中，以登月小艇所要完成的工作最为重要。登月小艇的主要构造是上升、下降用火箭，结合时调整姿势的火箭，会合、登陆用之雷达及生命维持装置，只要其中一项出了问题，太空人的生命即将受到威胁。
直到1970年1月为止，登月小艇只在无人状态下试验过一次。阿波罗9号太空部升空的主要目地就是实验登月小艇的性能。要太空人坐在登月小艇，离开指挥舱，重新再结合，这种实验和前往月球一样极具危险性。根据设计人员的设计，登月小艇只能在月球表面和附近使用，而且非常脆弱，无法从地球轨道进入地球。登月小艇离开指挥舱后，如果会合装置出现故障，则无法与指挥地结合，太空人只好永远搁浅在遥远的轨道上。在地球轨道和月球轨道结合的操作，并不需要像苏联同盟4号及同盟5号那么复杂，太空人只需使在太空中飘浮的登月小艇以回指挥舱就可以了。
其次，阿波罗9号要进行的另一项实验就是检测太空人在月球表面所使用的生命维持装置的性能，这种装备为重38公斤的背箱，可以供应呼吸用氧气，同时去除二氧化碳，并且可以在太空装内部加压；此外箱内还有两台收发报机及银、锌电池，可作通讯用。阿波罗9号太空人将在太空中漫步40分钟，以试验背箱的性能。离开太空舱内的主要生命维持装备，独自漫步在太空中，这对美苏来说，是最新的尝试。因为过去的舱外活动完全是由“脐带”连结在太空船进行的。
将乘坐阿波罗9号升人太空的三位太空人一位是39岁的太空专家马克戴维持，同时他也是这次任务的指挥官，第二位是曾经参加双子星8号的飞行的太空专家考特，第三位是在麻省理工学院提出行星空间航行理论硕士论文的史怀卡特。
发射升空以前，火箭和太空船都加以总检查，经过7大读秒一切顺利，机械上也没有任何故障。然而，预定发射前24小时，太空总署的医护小组却决定将发射时间延迟3天，因为，3位太空人全都患了流行性感冒。
1969年3月3日上午11时，阿波罗9号顺利进人轨道。最初的操作在发射后3小时开始进行，指挥舱和机械舱连结，离开火箭和登月小艇，前进约15米后，调换方向和登月小艇尖端连结。结合工作完成后，太空船离开火箭，大约有2．4公里的距离。最后巨大的火箭引擎开始燃烧，飞向轨道。
阿波罗9号发射得到圆满成功后，即不断有人建议以在5月份预定发射的阿波罗10号进行登陆月球，然而阿波罗计划的指挥官菲利浦上将却坚决反对，他认为“人类只去过月球附近一次，登月小艇的载人飞行实验也只进行过一次，并且只是在环绕地球的轨道上实验，飞行经验还不充分就要登陆月球，实在太危险了！要登陆月球，至少还应当再作一次基本飞行训练。
5月18，阿波罗10号被发射升空，此次太空飞行的计划是让太空船正式进人月球轨道，太空人将乘登月小艇离开指挥舱，接近大家所盼望的近距离50000尺，也就是15公里，然后登月小艇再回到11公里高的轨道上，和指挥能会合、结合，继续在月球周围环绕31次后再回到地球。
5月26日夜晚12点52分，太空船落在南太平洋上，由回收舰收回。太空人到达回收舰甲板上1小时后，太空总署署长向全世界向全世界发表历史性的演讲：
“8年前的昨天，美国决定在60年代结束前，要将人类送往月球，并且安全返回地面。今天，阿波罗10号的太空人已经平安地到达航空母舰普林斯顿号上。我们确信人类可以到月球上，我们也必定会去。萨纳、杨格、斯塔夫德三位给我们极大的信，1969年7月16日，美国东部夏令时间上午9时32分，阿波罗11号登月火箭已稳稳地坐在了佛罗里达州肯尼迪航空中心第39A发射台上。这个大火箭高110米，重2950吨，其顶端指挥舱内，有3位太空人正以极紧张的心情等待发射。
舱内左边位置上是阿波罗11号的指挥官，38岁的阿姆斯壮，1962年成为太空人以前，是民航公司的试飞员。中间是38岁的空军中校柯林斯，他将在登月小艇降落月球表面及上升时，留在指挥舱内。右边的座位上是空军上校艾德林，39岁，依预定计划，他将与阿姆斯壮一起降落月球表面。肯尼迪航空中心的海岸上到处可见火箭耸立，在前往肯尼迪航空中心的公路两旁，聚集约有100万左右的民众注视着巨型火箭，全美国及全世界有数亿的人守候在电视机旁边。
随着指挥官的一声令下，巨型的火箭引擎被点燃，3500吨推力的火箭载着阿波罗11号太空船缓缓升空。阿波罗11号按照计划先进人环绕地球的轨道，然后再喷射加速前往月球轨道。7月18日星期五，太空人进人名为“老鹰”的登月小艇内。在飞行期中，与老鹰为伴的是指挥舱“哥伦比亚”。
阿波罗11号在太空的旅行，进展非常顺利，阿波罗太空人照阿波罗8号、10号已完成的顺序采取行动。就在阿波罗11号发射的前3天，7月13日，苏联发射了月球探测器月球15号。苏联并未发表探测器的发射目的及是否载人。飞船降落引擎立刻点燃，登月小艇开始下降。7分钟后登月小艇降至距月球上空6300米位置，距预定降落地差9公里，阿姆斯壮后来描述道：“月表有许多块状岩石，有些像足球场那么大！”他改用手操纵驾驶杆，在底下狰狞可怖的岩堆间寻找平坦地点，过了几秒钟，终于找到可让登月小艇降落的平坦地面。下午4时17分，太空人阿姆斯壮通过无线电何休斯顿报告“这里是‘安静的基地’，老鹰已平安登陆”。
阿波罗号平安降落月表，这是人类首次登陆月球，也是人类首次离开地球抵达其他天体。到目前为止，一切还算顺利，然而阿姆斯壮和艾德林还有许多工作待完成，他们要离开月球表面，还要回指挥舱，更要飞返地球。
苏联总理赫鲁晓夫以他自己的方式说明了月球旅行的困难：“问题不在于将人类送往月球，而是在于如何收回！”
要作的事情很多，首要的是科学性工作，这是第一次在月球表面作实际观测工作。也是解答无数疑问的最好机会。
在踏出月球表面第一步之前，两位太空人必须仔细检查“老鹰在登陆时，有无损坏的地方，这项检查共花费了6个小时。1969年7月20日，星期日，晚10时56分，阿姆斯壮终于打开“老鹰”的出口，从阶梯走下来，成为首次步人月球表面的人类。这是1969年7月20日，星期日，晚间10时56分的事。阿姆斯壮左脚踏在月球表面时，说出一句名言：“这在个人来说只是一小步，却是全人类向前迈进的一大步！”
试走两三步后，阿姆斯便开始进行科学性作业，给他完成作业的时间很短，只有2小时13分钟。艾德林将在月球表面所需的各项工具，全部搬下来，在阿姆斯壮步下月表18分钟后走出月球表面。这时候，几乎全世界所有的人都在电视画面上看着他们。
阿姆斯壮介绍说，月球表面被细密的炭粉状物质（类似地表的石墨粉）遮盖，也描叙鞋子痕迹和旁边的动着情形，“老鹰”的脚只陷入月表3～5公分，他本人的足迹也只下陷3公分的深度。
他们登陆的地点比预定降落地偏西7公里，在“宁静海”较为平坦之地面。阿姆斯壮说这个平原上有2个重叠的坑洞（大坑洞内另有小坑洞），直径在1．5～15米间，还有数千个直径在6～30公分间的小坑洞。
两位太空人仔细观察那些高60公分的四方形岩块，发现上面全覆有灰白色的粉状物质，使月球表面看来保卫生很差的沙滩。裂开的岩石内部全带有黑色，有一块岩石似乎是玄武岩，另一块则由黑色、茶褐色、暗绿色三种矿物构成。阿姆斯壮解释黑色的有些像云母，另有些岩石看起来像是紫色。其他的岩石上大多有许多小洞。
在月表停留期间，太空人所要完成的工作中，最重要的是，搜集月球表面的岩石、土壤作试验材料。阿姆斯壮走到月球表面最先作的工作就是抓一把月球的地壤放进太空装的口袋里，这是预防万一发生紧急情况时，停止月球表面作业离开月球，太空人可以提供给科学家作分析实验用。太空人总共掘取了24公斤重的月球表面物质。
太空人又把内层管插人月球表面5～8公分深的地方，在登月小艇四周不同地点收集物质，回小艇前最后的工作是用两支长20～23公分的试管搜集未被登月小艇降落时的排气所污染的土壤。然而据太空人报告，要插试管到8公分以下的地方颇为困难，艾德林必须以铁锤把试管打人。而所有的太空人都没有找到岩床。
更令人感到惊奇的是，当艾德林把取土工具插进23公分处时，此工具已不呈垂直坚立状。
太空人总共在月球表面装置了3项科学观测仪器，一种是检测月球震动的仪器，与地球表面用来测量地震的地震仪相同．当登月小艇离开月球表面时，这个仪器装置感应了引擎的声响，在小艇离开数分钟后，立刻通知地面科学家适才有震动发生。科学家认为由于火箭喷射在月表造成的震动，可能造成月球表面滑落，也可能像软糖在盒内摇动的情形，到底何种正确？到目前为止，还是一个未解开的谜。
在月球表面安装的另一种仪器，是以溶解的矽做成的棱镜，用100个棱镜排列成60平方公分大的反射板装置，使其面向地球。当阿波罗11号结束飞行后，科学家从地面发射镭射光到月球上的反射板装置，即可准确测量出月球与地球间的距离。使用镭射光也可以精密测量出地表大陆块移动的微妙情形。
第三种实验是测量太阳风，太阳风不断向各方向发射出粒子和气体，人类曾经以环绕地球的无人卫星测量过太阳风。两位太空人竖立一块铝箔，这块铝箔长1米、宽30公分，用来收集太阳所发射过来的稀有气体，然后装在特制的盒内，带回地球作分析。
检测人类在月球表面的作业能力是太空人要做的另一项实验。阿姆斯壮穿着84公斤重的太空装，在月表活动，却很轻松，温度的差别也很大，阳光可及的地方温度为115℃～120℃，阳光照不到的地方温度则在-100℃，而阿姆斯壮却觉得很舒适。艾德林也尝试了各种不同的走路方式，其中包括“袋鼠跳跃”，结论是普通走法和袋鼠跳跃法最为轻松。当他们从阳光晒不到的地方走到阳光晒得到的地方时，会觉得光线太强而使眼睛不舒服，这是两个雷同的报告内容。
回“老鹰”之前，两位太空人为了纪念人类首次的大冒险活动，将长1．5米、宽三米的美国国旗竖立在月球表面。月球上没有空气，也没有风使国旗飘扬，所以这面旗子是用铁丝撑开的。他们又留下一块写有下列文字的金属板：
1969年7月，“在这个安静的地方，有地球来的人类留下足迹，我们是为了全人类，以和平的方式来到此地。”后面有尼克松总统与3位太空人的签名。这块金属板是绑在登月小艇降落部分的脚上，并永远的留在月球表面。他们旅行留下的最后两项纪念品是仿制的阿波罗11号的徽章和橄榄树枝。
1969年7月21日，凌晨1时零9分，阿姆斯壮和艾德林结束人类首次的月球漫步，回到“老鹰”内充分休息，再过12小时，他们就要做最危险的离开月球飞行。
在发回的报告中兴奋地说：“真精彩！……相当顺利，连一点摇动的情形都没有发生！”他还说好像看到月球表面的“高速公路”。
这时候，在指挥舱内的柯林斯刚开始飞行第25圈的轨道。几分钟后，“老鹰”也飞上轨道。下午3时30分左右，指挥舱从月球后方出现，“老鹰”与其相距12．4公里，以后的2小时内，两飞行体慢慢接近。下午5时35分，在月表111公里高空，“老鹰”和“哥伦比亚”完成结合工作。
但阿姆斯壮和艾德林不能立刻进人指挥舱，因为他们从月球上带回来的东西的表面都覆有月球表面的尘埃，这些尘埃假若在指挥舱中飘浮，可能会使舱内的观察仪器堵塞、丧失功用。两位太空人大约花了正小时时间，用电动吸尘器，把观测仪器、太空装和装化验材料的箱子打扫干净，终于在下午7时20分报告：“3个人都在指挥舱内，进出口也开好了。”
指挥舱在月球轨道切除登月小艇，7月22日凌晨零时55分，引燃机械舱的火箭脱离月球轨道，国航的途中一直很平稳。太空人在太空中进行电视转播，一面监视仪器，一面休息。7月24日中午，太空人切除机械舱，准备再进人地球大气层。晚间12时50分，阿波罗11号平安降落在夏威夷西南方1530公里的南太平洋上，距离回收舰翁克奈号17．7公里。至此，人类登陆月球的梦想终于实现。