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».
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).