לאחר הירידה אל הקרקע החלו האסטרונאוטים לפרוק את תא המטען של רכב הנחיתה (שהיה חלק משלב הנחיתה של הרכב והיה נגיש רק מבחוץ) בו היו המערכות אותם היה עליהם להציב בירח וכלי עבודה. החל ממשימת אפולו 15 נשא רכב הנחיתה גם את רכב הנדידה הירחי, איתו יכלו האסטרונאוטים להתרחק לתור אזורים רחוקים מרכב הנחיתה.
במהלך הפעילות החוץ רכבית הציבו האסטרונאוטים מערכות מדעיות שונות על הירח ואספו דוגמאות קרקע אותן החזירו לכדור הארץ. בין פעילות לפעילות חזרו האסטרונאוטים אל הרכב שם יכלו להוריד את חליפות החלל (לאחר דיחוס פנים הרכב שהיה מרוקן מאוויר), לאכול ולנוח. לאחר הפעילות האחרונה ננטשו על הירח כלי עבודה וחפצים נוספים שלא נדרשו להחזרה לכדור הארץ על הירח, כדי להקל על ה־LM בעת ההמראה. החל מאפולו 15 הורחק רכב הנדידה הירחי מרכב הנחיתה ומצלמותיו כוונו אליו כדי שיצלם את ההמראה.
המראה ומפגש עם ה־CSM.
ההמראה מן הירח נועדה לאפשר את עגינת רכב הנחיתה הירחי עם תאי הפיקוד והשירות שנותרו במסלול סביב הירח, על מנת שהצוות יוכל לחזור לכדור הארץ. ההמראה והעגינה נעשתה בשני שלבים: קודם המריא שלב ההמראה של רכב הנחיתה (בהשאירו את שלב הנחיתה על הירח) ונכנס למסלול סביב הירח, ולאחר הכניסה למסלול נעזר במנועי הגישה שלו כדי להתקרב אל ה־CSM ולעגון בו.
לפני ההמראה הוזנו נתוני מיקומו המדויק של ה־LM למחשב כדי שההמראה תבוצע בצורה המדויקת ביותר. רגע ההמראה נקבע כך שהכניסה למסלול תבוצע כאשר ה־CSM נמצא קרוב לנתיב ה־LM. שלב הנחיתה של ה־LM נשאר על הירח ומשמש ככן שיגור עבור שלב ההמראה. השלבים נפרדים רגעים ספורים לפני ההמראה על ידי נפצים קטנים.
שלב ההמראה ממריא במסלול אנכי עד לגובה 75 מטרים אז מתחיל המסלול להתאזן באיטיות עד הכניסה למסלול אליפטי בגובה 15 עד 67 ק"מ.
לאחר הכניסה למסלול נפגשים ה־LM וה־CSM (המוטס על ידי האסטרונאוט השלישי) ועוגנים אחד בשני. לאחר שדוגמאות הקרקע מהירח, סרטי הצילום והצוות עברו אל תא הפיקוד, שוחרר ה־LM והוכנס למסלול התרסקות בירח. לאחר מכן יכול היה ה־CSM להתחיל במסע חזרה לכדור הארץ (במשימות אפולו 15, 16 ו־17 נשאר ה־CSM יום נוסף במסלול סביב הירח, והצוות ביצע ניסויים מדעיים ושיחרר לוויין מחקר קטן למסלול סביב הירח).
החזרה לכדור הארץ.
על מנת לעזוב את מסלול הירח הופעל מנוע תא השירות למשך 2.5 דקות שהקנו לחללית ΔV (שינוי מהירות) של כ־1,000 מטרים לשנייה. שלב זה היה אחד השלבים הקריטיים במשימה, כי כשל במנוע או טעות בכיוון החללית היו עלולים לחרוץ את גורל הצוות. החללית לא כוונה ישירות אל כדור הארץ אלא אל המשך מסלולו, שהרי במשך המסע בן שלושת הימים של החללית, התקדם כדור הארץ במסלולו סביב השמש. החללית מוכנסת למסלול המתוכנן להביא אותה, לאחר שלושה ימים, לחלוף בגובה 40 ק"מ מעל פני כדור הארץ.
במהלך שלושת ימי המסע לכדור הארץ בוצעה הליכת חלל או עמידת חלל (בה רק פלג הגוף העליון יוצא מהחללית) במהלכה נאספו סרטי הצילום ממצלמות תא השירות. כמו כן בוצעו תיקוני מסלול קטנים כדי להביא למקסימום את זווית החדירה לאטמוספירה כך שהנחיתה תבוצע במקום בו המתינו צוותי החילוץ. ככל שהתקרבה החללית לכדור הארץ כך גדלה מהירותה, מ־850 מטר לשנייה עד ל־11 ק"מ לשנייה בתחילת החדירה לשכבות העליונות של האטמוספירה, שאת השפעותיה היה אפשר לחוש כבר בגובה 120 ק"מ (בגלל מהירותה העצומה של החללית). זמן קצר לפני החדירה לאטמוספירה הושלך תא השירות יחד עם המנוע הראשי, ומרבית מקורות החמצן והחשמל. החדירה לאטמוספירה בוצעה בזווית מדויקת של 6.5° עם אפשרות לסטייה של מעלה אחת בלבד. בזווית חדירה גדולה יותר היה תא הפיקוד עלול להתחמם לטמפרטורות גבוהות מ־3,000° צלזיוס, טמפרטורות שמגן החום אינו יכול לעמוד בהן, ותא הפיקוד עלול היה להישרף. מעבר לכך, בזווית כזו תאוטת החללית תהיה גדולה מדי, סיכון חמור נוסף לחיי הצוות. מאידך, אם זווית החדירה תהיה קטנה מדי, עלולה החללית ל"קפץ" על פני האטמוספירה – לפגוע בה ולהיזרק חזרה לחלל, כמו אבן הניתזת מפני המים. במצב כזה החללית הייתה נכנסת למסלול אליפטי גבוה מאוד, ממנו לא הייתה יכולה להיחלץ בשל חוסר יכולת תמרון. מקורות החמצן והחשמל המצומצמים שיהיו לחללית בשלב זה יחרצו את גורל הצוות למוות.
לאחר האטה בעומס 4 G איבדה החללית את רוב מהירותה האופקית והמשיכה ליפול אנכית. בגובה 7 ק"מ נפרשו שני מצנחים שייצבו את החללית והאטו אותה מ־480 ל־280 מטר לשנייה. מצנחים אלה הושלכו בגובה 3 ק"מ, ובמקומם נפתחו לצדדים שלושה מצנחים קטנים, שפרשו את שלושת המצנחים הראשיים (הדבר נעשה כדי למנוע את הסתבכות המצנחים). תא הפיקוד פגע בפני האוקיינוס במהירות של כ־35 קמ"ש. מיד עם הפגיעה במים נותקו שלושת המצנחים הראשיים ושלושה בלונים התנפחו בחרטום התא כדי למנוע את שקיעתו במים. צי שכלל נושאת מטוסים המתין לחללית בקרבת אתר הנחיתה ומסוקים ומטוסים ריחפו מעליו ותרו אחר החללית. עם פגיעת החללית במים זינקו צוותי צוללנים בסירות גומי אל התא וחילצו את האסטרונאוטים, שהוטסו במסוק אל נושאת המטוסים. גם תא הפיקוד הועלה לסיפון נושאת המטוסים.
כרונולוגיית הטיסות.
תוכניות מרקורי וג'מיני.
תוכנית מרקורי, שהחלה ב־1959, הייתה תוכנית החלל הראשונה של ארצות הברית, שנועדה לשגר אדם למסלול סביב כדור הארץ ולהקדים את ברית המועצות בהשגת יעד זה. התוכנית השיגה את היעד הראשון, אך נכשלה בשני; ב־12 באפריל 1961 שיגרה ברית המועצות את משימת ווסטוק 1, ועליה הקוסמונאוט יורי גגארין, שהיה האדם הראשון בחלל. רק ב־5 במאי 1962 הצליחה ארצות הברית לשגר את האסטרונאוט האמריקאי הראשון, אלן שפרד, למסלול סביב כדור הארץ. שלוש טיסות מסלוליות נוספות במסגרת התוכנית בוצעו במהלך 1962 ו־1963.
ארצות הברית צברה ניסיון רב בתוכנית מרקורי, אך עם סיומה נותרו היבטים רבים בתחום תעופת החלל אשר היה צורך ליישמם בטיסות אל הירח, שלא פותחו ולא נבחנו. על כן הציגה נאס"א תוכנית חלל מאוישת שמטרתה הייתה לפתח היבטים אלו לפני שיושלמו המערכות שתוכננו לשימוש בתוכנית אפולו ולמשימות אל הירח. לתוכנית, שנקראה ג'מיני, הוצבו שלושה יעדים:
חללית הג'מיני תוכננה במקור כשדרוג של חללית המרקורי, אך הפכה לחללית שונה ומתקדמת בהרבה ממנה. משקלה של ג'מיני היה יותר מפי 3 מזה של מרקורי, והיא נשאה שני אנשי צוות. ג'מיני הייתה יכולה לשהות בחלל במשך שבועיים תמימים, ניתן היה לצאת ממנה להליכות חלל, והייתה לה יכולת לעגון בחלליות מסוג אג'ינה. החללית שוגרה על גבי טיל בליסטי מדגם טיטן 2 של חיל האוויר האמריקאי, שהוסב למשגר. המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית, ג'מיני 3, שוגרה בהצלחה ב־23 במרץ 1965, ואחריה שוגרו עוד 9 משימות מאוישות נוספות, במהלכן בוצעו הליכות חלל (כולל הליכת החלל האמריקאית הראשונה), וכן מפגשים ועגינות בין חלליות בחלל (הראשונים מסוגם בתולדות תעופת החלל). משימת ג'מיני 7 ששוגרה בדצמבר 1965 (ונפגשה עם ג'מיני 6A) נמשכה 14 יום ודימתה משימה אל הירח ובחזרה כולל שהייה על הירח (מבחינת משך הזמן).
תוכניות סיור: ריינג'ר, לונר אורביטר וסרוויור.
במהלך פיתוח תוכנית אפולו הפעילה נאס"א מספר תוכניות לא מאוישות לחקר הירח, שמטרתן הייתה לאסוף מידע רב ככל הניתן על הסביבה הירחית. מידע זה היה הכרחי לתכנון רכב הנחיתה ולבחירת אתרי נחיתה מתאימים עבורם.
בין 1961 ל־1965 שוגרו מספר גשושיות, במסגרת תוכנית ריינג'ר. מטרת הגשושיות הייתה להתרסק על הירח תוך כדי צילום הקרקע ההולכת ומתקרבת. ריינג'ר 7 הייתה הראשונה שהצליחה להשלים את משימתה, ואחריה שוגרו שתי משימות מוצלחות נוספות (ריינג'ר 8 ו־9). תוכנית לונר אורביטר כללה 5 מקפות ששוגרו אל הירח בין 1966 ל־1967 ומיפו 99% מפניו. כמו כן הן מדדו את רמות הקרינה הקוסמית סביב הירח ואת צפיפות המיקרומטאוריטים סביבו, וסייעו לבחון את מערכות התקשורת שתוכננו לשימוש בחלליות אפולו. תוכנית סרוויור כללה 7 נחתות ש־5 מהן נחתו נחיתה רכה על הירח בין 1966 ל־1968 ושידרו נתונים על צפיפות הקרקע. נחיתות אלה סייעו גם בבחינת טכניקת הנחיתה הממונעת על הירח.
טיסות מבחן מוקדמות.
סטורן I.
הסטורן I (או סטורן C-1) תוכנן לפני שמפרט משימות תוכנית אפולו היה ידוע. כאשר סוכם המפרט התברר שהמשגר אינו חזק די הצורך. עם זאת, 10 משגרי סטורן I נבנו ושגרו בהצלחה מלאה בין 1961 ל־1965. חמש המשימות הראשונות (SA-1 עד 5) היו משימות פיתוח, שתי משימות נוספות (A-101 ו־A-102) נשאו דגמים של החללית אפולו לחלל ושלוש משימות נוספות (A-103 עד 105) היו חלק מפרויקט פגאסוס. חלק מהטכנולוגיה ששימשה בבניית הסטורן I שימשה לאחר מכן לפיתוח ובניית סטורן IB וסטורן V.
סטורן IB.
טיסות הסטורן IB נועדו לבחון את רכיבי השלב השלישי של הסטורן V ואת פעילות רכיבי החללית אפולו בחלל.
אסון אפולו 1.
אפולו 1 (שמה הרשמי באותה עת היה AS-204) הייתה מיועדת להיות המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית אפולו, והיא תוכננה לשיגור ב־21 בפברואר 1967. לרוע המזל, ב־27 בינואר 1967, בעת אימון בתוך תא הפיקוד, פרצה שרפה ושלושת אנשי הצוות: וירג'יל גריסום, אדוארד ווייט ורוג'ר צ'אפי, נספו. הוועדה שחקרה את האסון מצאה כשלים רבים בחללית אפולו, אותם דרשה לתקן לפני שיגור המשימה הבאה. בין הכשלים היו הרכב האטמוספירה בתוך החללית, שהיה 100% חמצן, דבר המגביר את הסיכויים לפריצת שרפה אפילו מניצוץ קטן, והמערכת המסובכת של דלת תא הפיקוד, שלא איפשרה לצוות להימלט ממנו כשפרצה השרפה.