Le 16 juillet 1969, à 13h32 GMT, les moteurs de Saturne V s'enflamment et propulsent Armstrong, Aldrin et Collins à bord d'Apollo 11 vers la Lune.

À 17h GMT, le 20 juillet, la cabine Apollo et le LEM se séparent ; commence alors la descente vers la Lune.
À 20h17 GMT Eagle se pose sur la mer de la Tranquillité.

La sortie lunaire est prévue le 21 juillet à 7h GMT, mais c'est finalement à 2h29 GMT que la porte d'Eagle s'ouvre.
À 2h56min20sec GMT, Neil Armstrong pose le pied gauche sur la Lune : "That's one small step for a man, one giant leap for mankind"

Edwin Aldrin le suit quelques minutes plus tard. Les deux astronautes resteront en tout 22 heures sur la Lune, dont environ 2 à l'extérieur du LEM. Des images des opérations sont transmises en direct de la Lune à la Terre : on estime que 500 millions de téléspectateurs assistent de par le monde aux retransmissions. Le programme de travail des astronautes sur le sol Lunaire comprend la mise en place de certains dispositifs scientifiques, par exemple pour la mesure du vent solaire, ainsi qu'une série d'exercices de mouvement.

Le départ de la Lune a lieu le soir du 21 Juillet à 18h54 GMT, avec l'allumage de la fusée de l'étage du LEM servant de retour. Le module s'arrime à la capsule mère "Columbia" à 22h35 GMT, les deux "hommes de la Lune", Armstrong et Aldrin, rejoignant Collins.

Le lendemain, 22 juillet,  "Apollo XI", après le largage de l'étage du LEM, rallume ses moteurs et entame sa route vers la Terre.

Le 24 juillet, à 16h50 GMT, la capsule amerrit dans le Pacifique, à quelques kilomètres du porte-avions Hornet.