Най-накрая, след осем годишна подготовка, дошъл редът и на най-очакваната мисия от всички, Аполо 11. Тя била първата мисия с пилотиран космически кораб, чийто екипаж достигнал и извършил успешно кацане на Луната. Целта на мисията била да прилуни хора на Луната и да ги върне успешно на Земята. Астронавтите избрани за голямото събитие били: Нийл Армстронг, Майкъл Колинс и Едуин Олдрин, които вече били летели в Космоса с програма Джемини. Корабът бил изстрелян на 16 юли 1969 г. в 13:32:00 (UT) от стартова площадка 39 А на космически център Кенеди.
На 20 юли корабът достигнал Луната. Екипажът на Аполо 11 спрял работа за последна почивка преди големия момент. Армстронг и Олдрин влезли в лунния модул "Ийгъл" и започнали подготовката за прилуняване. Колинс трябвало да направи последен оглед на апаратурата и след като установил, че всичко върви по план се пошегувал „Мисля, че машината работи и всичко е наред, освен факта, че вие сте с главите надолу”.
Пилотът на лунния модул, Бъз Олдрин, внимателно управлявал машината по пътя към Луната. Те се прилунили в Морето на Спокойствието, 40 сек. по-късно от очакваното в 20:17 универсално време (UT) на 20 юли., тъй като Олдрин трябвало да избегне голям скален блок. Шест часа отнело приготвянето за преминаване към следващия етап - излизане от лунния модул и стъпване на Луната. В 02:56:20 (UT) на 20 юли, Хюстън дал сигнал зелено. „Тук база Хюстън, излизането разрешено, дишаме с вас момчета!” Най-после Армстронг имал разрешението да излезе от лунния модул. Сега трябвало да намери смелост. В 04:55(UT) на 20 юли Нийл Армстронг отворил люка и слязъл по стълбата. Направил три малки крачки и така станал първият човек, който стъпил на лунната повърхност. Той изрекъл: „Малка стъпка за човека - голям скок за човечеството!.” За съжаление, повреда в комуникацията система попречила на целият свят да чуе тази запомняща се фраза.
Камерата на Аполо била монтирана на един от краката на лунния модул, за да излъчи и заснеме това световно събитие. Олдрин се присъединил към Армстронг след 19 мин. изричайки: "Величествена самота."
След прилуняването си, астронавтите Нийл Армстронг и Бъз Олдрин демонтирали стоманена плоча, която била закрепена към един от краката на лунния модул, застанали пред камерата и прочели пред телевизионната публика, какво пише на нея: „Тук хора от планетата Земя, първи стъпиха на Луната, юли 1969 г. сл. Хр. Дойдохме с мир, от името на цялото човечество.” ("Here men from the planet Earth first set foot upon the Moon, July 1969 A.D. We came in peace for all mankind.") Плочата била подписана от Армстронг, Колинс, Олдрин и президента на САЩ, Ричард Никсън. Астронавтите забили американското знаме, което обаче се оказало доста трудно, защото лунната повърхност се оказала по-твърда отколкото очаквали.
По време на престоя си на Луната, Армстронг и Олдрин били свързани с президента на САЩ - Ричард Никсън. Проведеният разговор станал известен, като „най-историческото обаждане” получавано някога. Президентът им казал: „Заради това, което направихте, Бог стана част от живота на човека?”.
Престоят на двамата астронавти бил ограничен, всичко трябвало да бъде по график. Имали ограничено време за някои научни проучвания. За съжаление, те направили много малко фотографии, улисани в работата си. Анализирайки този факт, по-късно Олдрин казвал: "Това е моя грешка, може би, но ние никога не сме симулирали тази тренировка.''
След излитането си от лунната повърхност, лунният модул се скачил с командния и лунните проби били преместени на кораба. По-късно лунният модул бил изоставен и астронавтите се отправили обратно към Земята. Завръщането било сравнително спокойно. Само една повреда се появила по време на обратния полет, която била незначителна и бързо отстранена. След 2 и половина дена път, астронавтите били готови да навлязат в земната атмосфера. Пътуването приключило в 16:50 (UT) на 24 юли, 1969 г., когато корабът Колумбия се приводнил 812 морски мили североизточно от Хавай, завръщайки се благополучно с тримата астронавти.
Астронавтите от мисията Аполо 11 били посрещнати като герои. Няколко дни преди приводняването на Аполо 11, Олдрин казал: „ Ние сме тук, като символ на ненаситното любопитство на човека да изследва непознатото”. С успеха на Аполо 11, националната цел, първоначално представена от президента Джон Ф. Кенеди, хора да стъпят на Луната и да се върнат обратно на Земята, е била изпълнена. В официалното изявление на НАСА, нарекли мисията Аполо 11: „Където никога не е отивал човек: Историята на Аполо, лунните експедиции.”