Полет «Джемини-12» с экипажем в составе Джеймса Ловелла и Эдвина (Базза) Олдрина в ноябре того же года должен был закрепить опыт манипуляций в открытом космосе, точно определив, какие физические нагрузки потребуются на их выполнение. Для этого ученые разработали программу двухминутных упражнений и разместили на внешней поверхности корабля набор всевозможных поручней, колец и фиксаторов. Миссия завершилась успешно.

Местом старта лунных экспедиций был выбран район мыса Канаверал во Флориде, где уже работал ракетный полигон ВВС США. Побережье к северу от него и часть острова Мерритт занял созданный в июле 1962 года Центр стартовых операций NASA (в ноябре 1963 года его переименовали в Космический центр имени Кеннеди). В мае 1963 года на острове Мерритт заложили фундамент гигантского монтажно-испытательного корпуса — здания вертикальной сборки высотой 165 м. В 5 км от него на берегу океана были построены два стартовых комплекса — LC-39A и LC-39В для ракет «Сатурн-5».

Главной изюминкой ракет «Сатурн» были двигатели F-1, работавшие на компонентах кислород — керосин и развивавшие поистине фантастическую тягу — 680 т (для сравнения: один такой двигатель почти вдвое превышал суммарную тягу современной ракеты «Союз»). Инженеры американской компании Rocketdyne начали его разработку еще в 1955 году, т. е. фактически тогда же, когда советские ракетчики вплотную приступили к проекту межконтинентальной ракеты Р-7. Первое огневое испытание полностью собранного двигателя F-1 на стенде состоялось в марте 1959 года — задолго до полета Юрия Гагарина на «Востоке» и Джона Гленна на «Меркурии». Тем не менее двигатель не использовали на начальном этапе космической программы, поскольку испытания показали, что он еще не готов к серийной эксплуатации.

Разработка самой мощной ракеты-носителя в истории человечества шла тоже не один год. Сначала на основе армейского задела была построена двухступенчатая ракета «Сатурн-1» с двигателями меньшей мощности Н-1 и RL-10. Во время ее первого старта 27 октября 1961 года, т. е. всего через полгода после полета Юрия Гагарина, она по тяге превзошла советскую ракету «Восток». До июля 1965 года состоялось десять запусков этой ракеты, причем не только с габаритно-весовыми макетами командно-служебного модуля корабля «Аполлон», но и со спутниками серии «Пегас» (Pegasus).

Эстафета перешла к более совершенной ракете «Сатурн-1Б». На ее первой ступени стояла связка из восьми двигателей Н-1, а на второй — водородно-кислородный двигатель большой мощности J-2. С февраля 1966 года было проведено три успешных старта, и предполагалось, что эта же ракета выведет в космос первый корабль «Аполлон-1», однако 27 января 1967 года экипаж корабля погиб в пожаре на стартовом комплексе, и многие планы пришлось изменить.

В ноябре 1967 года начались испытания огромной трехступенчатой ракеты «Сатурн-5». На ее первой ступени стояли пять полноразмерных двигателей F-1, на второй — пять J-2, на третьей — один J-2. Отрываясь от земли, ракета одномоментно развивала тягу, эквивалентную тяге шести сотен турбореактивных двигателей истребителей того времени! В ходе первого полета она подняла на орбиту командно-служебный модуль «Аполлона-4» с макетом лунного модуля. В январе 1968 года на орбите был испытан лунный модуль «Аполлона-5»; в апреле туда же отправился беспилотный «Аполлон-6». Последний старт из-за сбоя второй ступени едва не закончился катастрофой, но «Сатурн-5» вытащил корабль, продемонстрировав хорошую живучесть.

11 октября ракетой «Сатурн-1Б» был запущен командно-служебный модуль «Аполлона-7»; на борту находились Уолтер Ширра, Донн Эйзел и Уолтер Каннингем. В течение десяти суток — недостижимая для советской космонавтики того периода продолжительность полета! — астронавты испытывали корабль, проводя довольно сложные маневры. Теоретически «Аполлон» был готов к экспедиции, однако лунный модуль все еще оставался очень сырым. И тогда была придумана миссия, которая изначально вообще не планировалась, — полет вокруг Луны.

21 декабря корабль «Аполлон-8» без лунного модуля, но с экипажем, состоявшим из Фрэнка Бормана, Джеймса Ловелла и Уильяма Андерса, отправился к соседнему небесному телу. Шестисуточный полет прошел сравнительно гладко, однако перед исторической высадкой на Луну понадобились еще два запуска. В марте 1969 года на «Аполлоне-9» экипаж в составе Джеймса Макдивитта, Дэвида Скотта и Расселла Швейкарта отработал процедуру расстыковки и стыковки модулей корабля на околоземной орбите. В мае то же самое проделали астронавты «Аполлона-10» Томас Стаффорд, Джон Янг и Юджин Сернан, но уже над Луной.

16 июля 1969 года был запущен корабль «Аполлон-11». В полет отправились опытные астронавты Нил Армстронг, Майкл Коллинз и Эдвин Олдрин. 20 июля, в 20:17:40 по времени Гринвича, лунный модуль, получивший красивое название «Орел», сел на поверхность ближайшего небесного тела. Первым из него вышел Нил Армстронг, и он же произнес фразу, ставшую крылатой: «Этот один маленький шаг для человека — гигантский прыжок для человечества». Астронавты проработали на поверхности совсем недолго: Олдрин — 1 час 46 минуты, Армстронг — 2 часа 13 минут, зато они привезли на Землю первые качественные снимки, сделанные шведской фотокамерой Hasselblad EDC, и образцы грунта общей массой 21,4 кг. Кроме того, астронавты оставили на поверхности небольшой блок приборов EASEP (Early Apollo Scientific Experiments Package), включавший пассивный сейсмометр и лазерный отражатель. Сейсмометр проработал всего 21 день, а лазерный отражатель отзывается до сих пор.

После «Аполлона-11» были запланированы еще девять лунных экспедиций, но из-за сокращения финансирования состоялись только шесть из них. «Аполлон-12» с астронавтами Чарлзом Конрадом, Ричардом Гордоном и Аланом Бином на борту отправился в полет 14 ноября 1969 года. Миссия планировалась как первая серьезная экспедиция с двумя выходами на поверхность Луны и установкой полноценного комплекта приборов ALSEP № 1 (Apollo Lunar Surface Experiments Package). 19 ноября Конрад и Бин прилунились поблизости от американского аппарата «Сервейор-3», прибывшего туда 20 апреля 1967 года. Миссия прошла безупречно, и через десять суток экипаж «Аполлона-12» вернулся на Землю. Помимо фотопленок астронавты привезли 35 кг образцов лунного грунта и горных пород, а также детали «Сервейора-3».

Полет «Аполлона-13», на борту которого находились астронавты Джеймс Ловелл, Джон Суайгерт и Фред Хейз, начался 11 апреля 1970 года, но едва не закончился гибелью корабля и экипажа. Через два дня, на пути к Луне, взорвался кислородный бак в командно-служебном модуле. Специалистам NASA пришлось приложить изрядные усилия и использовать хитроумные методы для того, чтобы вернуть астронавтов на Землю.