כינון ועדת גולובין (Golovin committee) על ידי סימנס ביולי 1961 מייצג את נקודת המפנה בבחירת שיטת הטיסה לירח של נאס"א. הייתה זו ועדת אד־הוק (Ad-hoc Committee) שנועדה להמליץ על המשגרים שישמשו את תוכנית אפולו, אך היא הכירה בכך שבחירת שיטת הטיסה לירח היא גורם משמעותי בשאלה. הוועדה המליצה על שיטה משולבת של EOR ו־LOR, אך העיון בשיטת ה־LOR, יחד עם עבודתו הבלתי פוסקת של הובולט, שיחקו תפקיד מרכזי בפרסום היתכנות השיטה. בסוף 1961 ובתחילת 1962 החלו חברים מקבוצת משימות החלל של נאס"א במרכז החלל לנגלי (שהייתה בתהליכי הפיכה למרכז טיסות החלל המאוישות ביוסטון) לתמוך בשיטת ה־LOR. למהנדסים במרכז טיסות החלל מרשל לקח עוד זמן עד ששוכנעו ביתרונות השיטה, אך תמיכתם בשיטה הוכרזה על ידי וורנר פון בראון בעת תדריך ביוני 1962. בחירתה הרשמית של נאס"א בשיטת ה־LOR הוכרזה ב־11 ביולי 1962, בעת שכינסה אספה של 11 חברות תעשייה אמריקאיות והציגה בפניהן את האתגר שמולו הן עתידות להתמודד. היסטוריון החלל ג'יימס האנסם סיכם כי:
אך הייתה עוד דרך לעבור. כשהציגה נאס"א את בחירתה בשיטת ה־LOR לנשיא בקיץ 1962, הטיל היועץ המדעי של קנדי, ג'רום וויזנר, וטו על ההחלטה. רק ב־7 בנובמבר 1962 אושרה השיטה סופית ונאס"א יכלה להתחיל לעבוד על הוצאתה לפועל של התוכנית.
היערכות.
לשם הוצאתה לפועל של תוכנית אפולו נדרשה נאס"א לכוח אדם רב. בין 1960 ל־1963 עלה מספר המועסקים של נאס"א מ־10,000 ל־36,000. התוכנית דרשה גם מתקנים ראויים שבהם ניתן היה לפתח את התוכנית, ועל כן הקצתה נאס"א לתוכנית שלושה מרכזי חלל:
מתקנים נוספים של נאס"א לקחו גם הם חלק בתוכנית אפולו ובתוכניות שהובילו אליה, אך לא בצורה משמעותית כמו המתקנים שצוינו לעיל. במרכז החלל ג'ון סטניס שהוקם ב־1961 במיסיסיפי נבחנו מנועים ששימשו את משגרי הסטורן והחללית אפולו. במרכז המחקר איימס שבקליפורניה, שהוקם כבר ב־1939 והועבר לידי נאס"א עם הקמתה ב־1958, פותחו מערכות החדירה לאטמוספירה של החללית אפולו. המעבדה להנעה סילונית בקליפורניה, שהתמחתה (ועדיין מתמחה) בבניית והפעלת גשושיות, הוציאה לפועל את תוכניות ה"סיור" (כדוגמת סרוויור) שקדמו לתוכנית אפולו.
אתגרים.
במעט יותר מ־8 שנים (מהצגת התוכנית על ידי קנדי ועד לתאריך היעד שהציב) היה על נאס"א לגבור על אתגרים חסרי תקדים בתחומים הטכנולוגיים, הארגוניים והכלכליים:
המשגר ששימש לשיגורו של אלן שפרד לטיסתו התת־מסלולית ב־5 במאי 1961, היה המרקורי־רדסטון, שפותח מהרדסטון, טיל בליסטי לטווח בינוני שנכנס לשירות ב־1958. משגר זה יכול היה לשאת כ־2 טונות של מטען לטיסה תת־מסלולית. האטלס LV-3B ששימש לשיגור המשימות המסלולית בתוכנית מרקורי יכול היה לשאת מטען של פחות מטון וחצי, אך לטיסה מסלולית. לשם הנחתת אדם על הירח, נדרשה נאס"א למשגר שיוכל לשאת 120 טון לטיסה מסלולית – אתגר עצום. ורנר פון בראון החל להתמודד עם אתגר זה כבר ב־1958, כאשר החל לפתח שיטה לאיחוד מספר מנועים ("אשכול מנועים") המונעים במימן נוזלי, בעלי עוצמה רבה, לשלב יחיד של משגר. תוכנית הפיתוח, שהחלה תחת אחריות ABMA, הועברה, יחד עם פון בראון וצוותו, לאחריות מרכז טיסות החלל מרשל שהוקם ביולי 1960. מאוחר יותר קיבלה תוכנית הפיתוח את השם סטורן.
שני מנועים רקטיים חדשים, (F-1 ו־J-2) פותחו גם הם עבור התוכנית. פיתוח מנוע ה־F-1, אשר נכון להיום הוא המנוע העוצמתי ביותר מסוגו, כלל את יישומן של שיטות פיתוח ובנייה יוצאות דופן (המנוע שרף 2.5 טונות של דלק וחמצן נוזלי כל שנייה), ונמשך זמן רב בעקבות בעיות חוסר יציבות בתא הבעירה. שלבו השני של הסטורן V (S-II) נתקל גם הוא בקשיי פיתוח בגלל מכל המימן העצום שלו והדרישה להפחתה במשקלו.
פיתוח החללית אפולו, המורכבת מה־CSM (תאי הפיקוד והשירות) ומרכב הנחיתה הירחי, היה אחד האתגרים הקשים ביותר בתוכנית. ה־CSM היה כלי בגודל עצום ביחס לחלליות האמריקאיות הקודמות ומשקלו הגיע ליותר מ־30 טון. רכב הנחיתה הירחי היה כלי שנועד למלא תפקיד שלא נוסה מעולם, שהיה אמור לעבוד בתנאי שטח שמעולם לא נבחנו קודם לכן, ושפותח למרות חוסר הניסיון בתחום. הבעיות שצצו בעת פיתוחו, כולל בעיות משקל יתר, בעיות תוכנה ובעיות מנוע כמעט והובילו לביטול תוכנית הנחיתה. דרישות האמינות והבטיחות המחמירים שהוצבו לחללית ולמשגרים (הסיכון לאובדן הצוות היה צריך להיות פחות מ־0.1%) היוו אתגר משמעותי נוסף.
תוכנית הפיתוח נתקלה בקשיים רבים, שנפתרו רק בעזרת תקציבים נוספים, שהאמירו והגיעו לשיאם ב־1965. באותה שנה היה התקציב לתוכנית אפולו בלבד כ־3% מתקציב הממשל הפדרלי (תקציב נאס"א באותה שנה היה 5.5% מהתקציב הפדרלי). פתרון הקשיים התאפשר גם בעזרת גיוס מנהלים מכל הדרגים ומכל התחומים שפיקחו על התקדמות התוכנית ופתרו משברי תכנון, פיתוח וניהול.
בחינת רכיבי התוכנית בפעולה הייתה תהליך חיוני ביותר גם הוא. תהליך הבחינה היווה כ־50% מעבודת הפיתוח, ובתוכניות החלל הקודמות של ארצות הברית בוצעו בצורה ידנית כמעט לחלוטין. בתוכנית אפולו לעומת זאת, נעשה שימוש בפעם הראשונה במערכות מחשוב, שהתפתחו במהירות הודות לתוכנית. מערכות אלה אפשרו לבצע מדידות של מאות נתונים במהלך המבחנים, ובכך היו יכולים המהנדסים והמדענים להתמקד בפירוש המדידות ולא בביצוען.
גיוס ואימון אסטרונאוטים.
קבוצת האסטרונאוטים הראשונה של נאס"א ("שביעיית מרקורי") הייתה קבוצה של טייסי ניסוי שגויסו משורות הכוחות המזוינים של ארצות הברית, שהיו בעלי תואר מינימלי בהנדסה, בני פחות מ־40, ושעמדו בקריטריונים פיזיים ומנטליים שהוצבו על ידי נאס"א. בגיוסים הבאים של נאס"א (9 ב־1962, 14 ב־1963 ו־15 ב־1966), שיועדו לספק אסטרונאוטים לתוכנית אפולו (וגם לתוכנית ג'מיני), נקבעו קריטריונים חדשים: הגיל ירד ל־35, כמות שעות הטיסה שנדרשה הופחתה, והורחב טווח התארים האקדמיים המותרים. כמו כן בוצעו שני גיוסים לבעלי PhD ב־1965 (4 אסטרונאוטים) וב־1967 (11 אסטרונאוטים), אך בסופו של דבר רק אחד מאותם 15 טס לירח (השאר טסו בתוכניות סקיילאב ובתוכנית המעבורות).
אימוני האסטרונאוטים כללו בעיקר סימולציות בחללית אפולו וברכב הנחיתה, אך גם קורסים באסטרונומיה (לשם ניווט על פי הכוכבים בחלל), בגאולוגיה (לבחינת קרקע הירח) ובצילום. האסטרונאוטים בילו שעות טיסה רבות ב־T-38 טאלון כדי לשמור על מיומנות טיסה (שלושה אסטרונאוטים מקבוצה 3 נהרגו בעת אימונים במטוס זה). האסטרונאוטים היו מעורבים גם בתכנון החלליות כדי שאלו יהיו נוחות ופשוטות לתפעול. כמו כן התבקשו האסטרונאוטים לתרום מזמנם למסעי הפרסום שהתלוו לתוכנית. האסטרונאוט דיק סלייטון, שנבחר לטוס בתוכנית מרקורי, אך קורקע בגלל בעיות רפואיות (הוא טס לבסוף במשימת אפולו־סויוז ב־1975), היה אחראי על שיבוץ האסטרונאוטים למשימותיהם.
החללית אפולו תוכננה כך שאפשרה שליטה מלאה של הצוות, זאת למקרה שהתקשורת עם כדור הארץ אובדת. שליטה עצמאית זו הופחתה משמעותית לאחר מספר משימות אפולו, מאחר שמרכז החלל ביוסטון יכול לשלוט בחללית בצורה יעילה יותר מאשר הצוות, זאת בזכות מחשבים חזקים יותר ומערכות עיקוב משוכללות. את רוב פעולות ההיגוי של החללית ביצע מחשב הטיסה של החללית, שקיבל מידע מחיישנים ומערכות שונות בחללית. ללא מחשב הטיסה לא היו האסטרונאוטים יכולים לנחות על הירח, מפני שרק המחשב יכול היה לנצל את הדלק בצורה אופטימלית ולא לבזבזו בעת הנחיתה. המחשב היה חיוני כל כך עד שהוא כונה "איש הצוות הרביעי".
41 אסטרונאוטים הוקצו להטיס את החללית אפולו. 32 מהם היו חלק מתוכנית אפולו בעוד השאר שויכו לתוכנית סקיילאב ואפולו־סויוז. 24 מתוך האסטרונאוטים של תוכנית אפולו עזבו את מסלול כדור הארץ ונכנסו למסלול סביב הירח (אפולו 7 ו־9 לא עזבו את מסלול כדור הארץ). 12 מתוך אותם 24 הלכו על הירח, ו־6 מתוך ה־12 נסעו ברכב הנדידה הירחי. בעוד שלושה מתוך ה־24 טסו לירח פעמיים, אף אחד מהם לא נחת עליו יותר מפעם אחת. תשע המשימות ששוגרו לירח שוגרו בין דצמבר 1968 לדצמבר 1972.
מלבד עשרים וארבעה האסטרונאוטים בתוכנית אפולו שעזבו את כדור הארץ, אף אדם אחר לא עזב מעולם את מסלול LEO סביב כדור הארץ. אותם אסטרונאוטים הם בני האדם שהגיעו לנקודה הרחוקה ביותר מכדור הארץ וצוות אפולו 13 הגיע רחוק מכולם. הם גם בני האדם היחידים שראו את צידו הרחוק של הירח במו עיניהם. שנים עשר האסטרונאוטים שנחתו על הירח הם בני האדם היחידים שדרכו על גוף שמימי כלשהו שאינו כדור הארץ. שניים מתוך עשרים וארבעה האסטרונאוטים שטסו לירח פיקדו בהמשך על משימת סקיילאב, אחד מהם פיקד על אפולו־סויוז, אסטרונאוט מתוך קבוצה זו פיקד על משימת נחיתה של מעבורת החלל אנטרפרייז ושניים נוספים פיקדו על משימות חלל של מעבורות החלל. בסך הכל, עשרים וארבעה מהאסטרונאוטים שטסו בתוכנית אפולו (ובהם גם ג'ון גלן, שטס בתוכנית מרקורי) טסו גם במשימות מעבורות החלל.
כללי המשימה חייבו כי, ברוב המקרים, רק אדם אחד במרכז הבקרה יתקשר ישירות עם הצוות הנמצא בטיסה. הכללים ציינו גם כי על אדם זה להיות אסטרונאוט בעצמו, שיוכל להבין את המצב בחללית ולתקשר עם הצוות בצורה הברורה ביותר. איש קשר כונה Capsule Communicator או CAPCOM, כינויים שהיו קיימים גם בתוכניות ג'מיני ומרקורי. אנשי הקשר נבחרו בדרך כלל מצוותי הגיבוי או התמיכה של המשימה, ועבדו במשמרות במהלך משימות ארוכות.
אמינות ובטיחות.