在加加林飞出地球的43天之后，美国总统肯尼迪宣布：“美国要在十年内，把一个美国人送上月球，再让他安全返回地球。”这就是著名的“阿波罗计划”。
“阿波罗计划”分三步。第一步是前面讲到的“水星计划”，即将宇航员送上太空，以测试人在太空中的活动能力；第二步是“双子星座计划”，有两个目的，一是测试人在太空中长时间停留可能引起的生理问题，二是将两个航天器在太空中进行对接，从而奠定登月技术的基础；第三步是“土星计划”，即制造能将载人飞船送出地球并进入月球轨道的大动力火箭，最终完成登月行动计划。
水星计划与苏联的东方计划相比，虽然没有争先，在轨飞行时间也没有那么长，但是在技术上取得的成就较大。它改进了多种运载火箭，为未来更大型计划的实施打下了基础，而且发展了宇航员发射救生系统和飞船姿态控制系统两大技术。1963年5月15日，“水星9号”载人发射，飞行了34小时，绕地球21圈，宣告水星计划结束。接着实施的“双子星座计划”也较顺利。1965年，“双子星座3号”飞船做了变轨实验，同年，“双子星座7号”和“双子星座6号”做了太空会合实验。其中“双子星座7号”在太空中飞行了14天，宇航员的身体安然无恙。
1965年4月，在冯·布劳恩的领导下研制出了“土星5号”火箭。它总长85米，竖起来有30层楼那么高。火箭由三级组成，其第一级推力达3500吨。土星5号是“阿波罗计划”中最关键的一环。它的出现标志着在运载火箭技术方面，美国已经超过了苏联。“阿波罗计划”可以最终实施了。
阿波罗飞船由指令舱、服务舱和登月舱三部分组成。指令舱是飞船的核心部分，而且最终由它把宇航员送回地球。服务舱主要装燃料和宇航员的生活资料，包括氧气、食物和水。登月舱是最终登上月球的部分，最后也要将登月宇航员送回到指令舱。1967年1月27日，第一艘阿波罗飞船正在做模拟实验，为2月的正式发射做准备，不料太空舱着火，使3名宇航员丧生。为此阿波罗飞船推迟了一年发射。次年，“阿波罗7号”环绕地球飞行。“阿波罗8号”成功地绕月球飞行，并顺利返回地球。
1969年3月3日，“阿波罗9号”发射成功，在太空中做了登月舱与母舱的分离与对接试验。5月18日，“阿波罗10号”飞向太空，再次进入了月球轨道。宇航员驾驶着与母舱分离的登月舱，在离月面仅14千米的低空飞行，并且向地球转播了29分钟的月球风光。26日，全体宇航员平安返回了地球。这次被认为是登月总排练的成功飞行，使人们对登月计划充满信心。
1969年7月16日美国东部时间9时32分，“阿波罗11号”载着阿姆斯特朗、奥尔德林和柯林斯3名宇航员于佛罗里达州的肯尼迪航天中心起飞。飞船很快到达地球轨道。飞行3小时后，飞船改变轨道进入奔月轨道。三天后的中午12时，宇航员们感觉身体舒服多了，原来，月球的引力开始起作用了。在环绕月球飞行了20多个小时之后，地面控制中心指示登月行动开始。阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶着被称为“鹰”的登月舱与被称为“哥伦比亚号”的母船分离，向月球飞去。
1969年7月20日美国东部时间下午4时17分40秒，“鹰”在月面上“静海”西南部安全降落。停下来6个多小时后，阿姆斯特朗率先走出了登月舱，一步一步走下阶梯，在月球上留下了地球人的第一个脚印。他后来说：“这一步，对一个人来说，是小小的一步；对整个人类来说，是巨大的飞跃。”
奥尔德林紧跟其后也踏上了月球。他们在月球微弱引力下一跳一跳地走动。这是一个荒凉冷寂的世界，没有生命，没有一丝绿色。故乡地球像一个明亮的圆盘悬挂在月球上林立的高山丛中。他们俩将一块特制的金属牌竖立在月面上，并默念：“公元1969年7月，来自行星地球上的人类首次登上月球，我们为和平而来。”金属牌下放置了5个遇难宇航员的金质像章，他们是苏联的加加林、科马罗夫和美国的格里索姆、怀特和查菲。
在月面上逗留了两个半小时后，阿姆斯特朗两人驾驶“鹰”离开了月球，与柯林斯驾驶的“哥伦比亚号”会合，并开始返回地球。24日，指令舱重新进入大气层，安全降落在太平洋檀香山西南海域。阿波罗载人登月计划成功了！
自“阿波罗11号”登月成功之后，美国又相继进行了5次登月飞行（阿波罗12号、14号、15号、16号和17号），共有12名宇航员登上了月球。“阿波罗15号”登月最为有趣。宇航员斯科特驾驶着一辆月球车在月面上行驶了28千米。他在月球上表演了羽毛和铁球同时下落的自由落体实验，还拿出邮戳盖了几个纪念封，象征性地开设了第一家月球邮局。月球车上的电视系统将这一切都转播给了地球。
经检查从月球上带回来的岩石，发现月球上没有任何生命的迹象，连最低级的微生物也没有。这就使多年来关于月球是否存在生命的争论得到了最终答案。
原定的阿波罗18号、19号、20号飞船的登月飞行因为经费超支被取消。反正预定的目标已经基本达到，任务均已完成。从“阿波罗11号”开始的登月飞行，只有“阿波罗13号”失败，但这次失败与其说是失败，倒不如说是对阿波罗飞船应变能力的一次成功考验。该飞船于1970年4月11日升空之后，服务舱中的氧气箱发生爆炸，地面指挥系统命令飞船取消登月计划。宇航员完全靠登月舱中的动力、空气、水和食品安全地回到了地球。
阿波罗计划是20世纪大科学的又一典型。美国政府为了实施这一历时近12年的计划，动员了40多万人、约两万家公司和研究机构、120多所大学，耗费了250亿美元。这种规模的科研项目，如果不是政府尽全力支持，是绝不可能完成的。
阿波罗登月计划在人类文明史上具有划时代的意义。它首次将人类带进了地外空间，显示了文明的伟大成就，使人类真正进入了一个空间时代。有的历史学家说：“500年后，人类对本世纪仅留下的记忆可能是：这是人类探索太空的世纪。”还有人把登陆月球看成人类伟力的象征：“如果我们连月球都能登上去，那我们就无所不能了。”争夺太空的竞赛也可以看成是国力的竞争，是国际安全战略的重要组成部分。政治家们认识到，控制了太空就控制了地球，就像从前几个世纪控制了海洋的国家就控制了陆地一样。
