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.