Тем не менее опытный задел, производственная база и квалифицированные кадры у США были, поэтому довольно быстро американские конструкторы создали необходимую линейку носителей: от «Титана-2», выводившего на орбиту двухместный маневрирующий корабль «Джемини», до «Сатурна-5», способного доставить трехместный корабль «Аполлон» к Луне.

Разумеется, перед отправкой экспедиций требовалось провести колоссальную исследовательскую работу. Были задуманы и реализованы три научные программы с использованием автоматических станций «Рейнджер» (Ranger), «Сервейор» (Surveyor) и «Лунар орбитер» (Lunar Orbiter).

Первые попытки запустить небольшие аппараты серии «Рейнджер» завершились крахом: из-за технических сбоев ни одна из пяти миссий не было доведена до получения каких-то внятных результатов. Однако после выступления Кеннеди финансирование NASA резко увеличилось, и специалисты предложили новый аппарат «Рейнджер блок-3», который должен был фотографировать поверхность Луны на траектории падения. В период с января 1964-го по март 1965 года в космос отправились четыре аппарата «Рейнджер». Все они достигли поверхности Луны, успев передать на Землю 17 267 телеизображений, причем 200 кадров с борта «Рейнджера-9» демонстрировались по общественному телевидению в режиме реального времени.

Успех воодушевил сотрудников NASA, и они собирались продолжить запуски, но тут планы пришлось пересмотреть, потому что советские конкуренты вновь вырвались вперед: 3 февраля 1966 года на лунную поверхность совершила мягкую посадку советская автоматическая станция, получившая название «Луна-9». Усилия переориентировали на проект посадочных аппаратов «Сервейор». С мая 1966 года по январь 1968-го стартовали семь аппаратов этого проекта: два из них погибли, но оставшиеся пять совершили мягкие прилунения и передали 87 891 телеизображение окружающей местности, причем первые снимки «Сервейора-1» транслировались в телевизионные сети США и Европы. Но главное, с помощью этих аппаратов была отработана процедура посадки на Луну и получены данные о физических характеристиках грунта, освещенности при разной высоте Солнца, тепловых потоках, пиках радиации и т. п.

Параллельно развивался проект картографирования Луны, который осуществлялся с помощью «Лунар орбитер». С августа 1966 года по август 1967-го в космос отправились пять аппаратов. Каждый из них имел на борту по две камеры: одна — со средней, вторая — с высокой разрешающей способностью, поэтому снимки любого района делались парными. Всего было получено 980 пар снимков, причем особо изучались места будущих высадок пилотируемых кораблей — были составлены подробные фотокарты в общей сложности 38 районов, подходящих для этой цели. Примечательно, что последний из аппаратов — «Лунар орбитер–5» использовался, помимо прочего, для юстировки командно-измерительного комплекса программы «Аполлон».

Пилотируемая астронавтика тоже брала новые рубежи. Был сконструирован и построен двухместный корабль «Джемини», который намного превосходил советские корабли «Восток» и «Восход» по своим возможностям. После двух беспилотных запусков 23 марта 1965 года стартовал корабль «Джемини-3» с астронавтами Вирджилом Гриссомом и Джоном Янгом на борту. Он находился на орбите меньше пяти часов, но при этом маневрировал, меняя скорость (на 3 м/с) и наклонение орбиты (на 0,02º), что по тем временам было беспрецедентным достижением. 3 июня полетел «Джемини-4» с экипажем в составе Джеймса Макдивитта и Эдварда Уайта; последний совершил выход в открытый космос, воспроизведя и перекрыв достижение Алексея Леонова (советский космонавт находился в вакууме 23 минуты, а оба астронавта — больше часа). Корабль проработал на орбите четверо суток; в интересах программы «Аполлон» были испытаны системы ориентации.

В дальнейшем полеты осуществлялись один за другим. На «Джемини-5», стартовавшем 21 августа, астронавты Гордон Купер и Чарлз Конрад испытали электрохимические генераторы, созданные для кораблей «Аполлон», и радиолокатор, предназначенный для стыковки. Кроме того, экипаж установил рекорд по продолжительности пребывания в космосе — почти восемь суток (советские космонавты сумели побить его только в июне 1970 года).

«Джемини-7», на борту которого находились Фрэнк Борман и Джеймс Ловелл, вышел на орбиту 4 декабря и установил новый рекорд, проведя в космосе больше 13 суток — т. е. время, которое заняла бы, согласно существующим планам, полноценная лунная экспедиция. 12 декабря на ту же орбиту стартовал «Джемини-6» с экипажем в составе Уолтера Ширры и Томаса Стаффорда. При этом корабли разделяло расстояние 2000 км. За счет умелого маневрирования они сблизились до 36 м и продолжили совместный полет.

Впрочем, не нужно думать, что все проходило гладко. В ходе отработки кораблей «Джемини» хватало аварийных ситуаций и на Земле, и в космосе. Однако реальные проблемы начались, когда пришло время отрабатывать процедуру стыковки. В качестве модели командно-служебного модуля корабля «Аполлон», с которым надо было состыковаться при возвращении с Луны, использовалась ступень-мишень «Аджена-Д». «Джемини-8» стартовал к ней 16 марта 1966 года (командиром корабля был Нил Армстронг, а пилотом — Дэвид Скотт) и сумел без проблем пристыковаться, однако после совершения процедуры корабль в связке с мишенью начал вращаться, раскручиваясь все быстрее. Лишь мастерство астронавтов спасло миссию от краха. 3 июня «Джемини-9» с экипажем в составе Томаса Стаффорда и Юджина Сернана должен был состыковать с легкой орбитальной мишенью ATDA (Augmented Target Docking Adapter), но у той при старте не отделился головной обтекатель, и осталось довольствоваться отработкой сложных маневров, которые могли понадобиться при полете к Луне и вокруг нее. 18 июля стартовал «Джемини-10»; на его борту находились Джон Янг и Майкл Коллинз. Полет тоже не обошелся без приключений, однако на этот раз астронавтам удалось не только состыковаться с новой «Адженой», но и сблизиться со старой (той, которая подвела Армстронга). Выйдя в открытый космос, Майк Коллинз перелетел с корабля на мишень и снял с нее научное оборудование, которое четыре месяца находилось в космосе, — грандиозное достижение!

Рекордным стал и полет «Джемини-11» в сентябре 1966 года. В ходе миссии отрабатывалась процедура аварийной эвакуации астронавтов с Луны, поэтому корабль должен был взлететь так, чтобы на первом витке сблизиться с мишенью и сразу пристыковаться к ней. Астронавты Чарлз Конрад и Ричард Гордон все это с блеском проделали. После серии стыковок-расстыковок с мишенью они изменили орбиту корабля так, что апогей поднялся на высоту до 1369 км. Понятно, что при этом корабль вошел в радиационный пояс, влияние которого необходимо было изучить перед началом полетов на Луну. Надо сказать, что ни советские, ни современные российские или китайские космонавты никогда не поднимались так высоко над Землей — экипаж «Джемини-11» установил абсолютный рекорд, который сумели побить только астронавты кораблей «Аполлон».