מאחר שלברית המועצות היו משגרים בעלי יכולת נשיאה גבוהה יותר, קנדי בחר מבין האפשרויות אשר הוצגו על ידי נאס"א, באתגר עתידי אשר כולל משגרים מעבר לדור הקיים ויביא לנקודת מפנה ואף ניצחון אמריקאי במרוץ לחלל. בסופו של דבר הוחלט כי משימה מאוישת לירח תשרת מטרה זו.
ב־25 במאי 1961, קנדי נאם בפני הקונגרס של ארצות הברית בקשר ל"צרכים לאומיים דחופים" והכריז: .
לצד התומכים, אמריקאים רבים התנגדו לתוכנית, לרוב מבחינה כלכלית. ביוני 1961 כאשר קנדי נפגש עם מקבילו הסובייטי ניקיטה חרושצ'וב, הוא הציע להפוך את הנחיתה על הירח לפרויקט משותף, אך חרושצ'וב לא קיבל את ההצעה. ב־20 בספטמבר 1963, בנאום בעצרת הכללית של האומות המאוחדות, קנדי הציע שוב משלחת משותפת אל הירח. הרעיון של משימה משותפת אל הירח ננטש לאחר מותו של קנדי.
החלטה מוקדמת ומכרעת הייתה בחירת שיטת הגעה לירח. לאחר בדיקות, נבחרה שיטת מפגש במסלול סביב הירח (LOR) על פני שיטת הטיסה הישירה ושיטת מפגש במסלול סביב כדור הארץ (EOR). מפגש בחלל הוא תמרון מסלולי אשר במהלכו שתי חלליות מנווטות בחלל ונפגשות. ביולי 1962 ראש נאס"א ג'יימס ווב הכריז כי המשימה אל הירח תעשה שימוש בשיטת מפגש במסלול סביב הירח (LOR) וכי לחללית אפולו יהיו שלושה חלקים עיקריים: תא פיקוד, בו ישהו שלושה האסטרונאוטים במשך רוב המשימה וכן החלק היחיד שיחזור לכדור הארץ; תא שירות אשר יספק מערכת הנעה, חשמל, חמצן ומים עבור תא הפיקוד; ורכב הנחיתה ירחי אשר יורכב משני שלבים – שלב הנחיתה עבור נחיתה על פני השטח של הירח ושלב המראה המיועד לשגר את האסטרונאוטים בחזרה למסלול סביב הירח ולעגון עם תא הפיקוד. תכנון עדכני זה פירושו שהמשימה כולה תוכל להיות משוגרת בידי משגר אחד, הסטורן 5 שהיה אז בפיתוח, במקום שיטות ההגעה האחרות אשר דרשו מספר משגרים נפרדים או משגר אחד גדול הרבה יותר מהסטורן 5.
ב־27 בינואר 1967, תוכנית אפולו נעצרה בפתאומיות בעקבות האסון של אפולו 1 בו קופחו חייהם של האסטרונאוטים וירג'יל "גאס" גריסום, אדוארד וייט ורוג'ר צ'אפי. באוקטובר 1968, משימת אפולו 7 בחנה את תפקודו של תא הפיקוד במסלול סביב כדור הארץ. ובדצמבר באותה השנה משימת אפולו 8 בחנה שוב את תא הפיקוד, הפעם במסלול סביב הירח. במרץ 1969, משימת אפולו 9 בחנה לראשונה את חללית אפולו במלואה, כולל רכב הנחיתה הירחי, במסלול סביב כדור הארץ. במאי 1969, משימת אפולו 10 הייתה למעשה חזרה גנרלית ובחנה את כלל החומרה והרכיבים של החללית במסלול סביב הירח. עד יולי 1969, הכל היה מוכן עבור נחיתה מאוישת על הירח.
ההובלה המוקדמת של הסובייטים במרוץ לחלל אבדה בסוף שנות ה־60 עקב קשיים בפיתוח המשגר N-1, אשר היה אמור לשרת אותם במשימות מאוישות לירח. כאשר כבר היה ברור שארצות הברית תהיה ראשונה לשלוח משימה מאוישת אל הירח, ניסו הסובייטים להיות הראשונים שמחזירים חומר מפני השטח של הירח לכדור הארץ. ב־13 ביולי, שלושה ימים לפני שיגור אפולו 11, שיגרה ברית המועצות את הגשושית לונה 15 אשר כשלה לנחות בהצלחה והתרסקה על אדמת הירח באזור ים המשברים כשעתיים לפני המראתם של ארמסטרונג ואולדרין מאדמת הירח בדרכם חזרה אל כדור הארץ. רדיו־טלסקופ במצפה הכוכבים ג'ודרל בנק שבאנגליה, קלט אותות ושידורים מלונה 15 בעת ניסיון נחיתתה. הקלטות אלו פורסמו ביולי 2009, ביום השנה ה־40 למשימת אפולו 11.
אנשי צוות.
הצוות הראשי.
ניל ארמסטרונג
ארמסטרונג היה מפקד המשימה. הוא בוגר הנדסה אווירונאוטית מאוניברסיטת פרדו, ומוסמך בהנדסת תעופה וחלל מאוניברסיטת דרום קליפורניה. בין 1949 ו־1952 היה טייס בצי האמריקאי, וטס במסגרת מלחמת קוריאה. הוא הצטרף ל-NACA, קודמתה של נאס"א, ושירת בה כטייס ניסוי במטוסים ניסיוניים, בהם המטוס הרקטי X-15 ששבר שיאי מהירות. הוא נבחר במסגרת הקבוצה השנייה של אסטרונאוטים בשנת 1962. היה מפקד ג'מיני 8 ב־1966, וביצע את העגינה המוצלחת הראשונה של שתי חלליות זו לזו.
מייקל קולינס
קולינס היה טייס תא הפיקוד. הוא בוגר במדעים מהאקדמיה הצבאית בווסט פוינט. לאחר שסיים את לימודיו שם, הצטרף לחיל האוויר כטייס ניסוי. הצטרף לצוות האסטרונאוטים במסגרת הקבוצה השלישית, ב־1963. היה טייס גיבוי של ג'מיני 7. היה טייס במשימת ג'מיני 10, שפרצה דרך בתחום העגינה בחלל. במסגרת משימה זו, עגנה ג'מיני 10 עם רכב "אג'נה" ששוגר מראש, השתמשה בו כדי לעבור למסלול שונה, שם עגנה עם רכב "אג'נה" שני. במסגרת משימה זו גם השלים שתי פעילויות חוץ־רכביות.
אדווין "באז" אולדרין
אולדרין היה טייס רכב הנחיתה. בוגר במדעים מהאקדמיה הצבאית בווסט פוינט מ־1951. דוקטור למדעים באסטרונאוטיקה מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. היה טייס במלחמת קוריאה, במהלכה הפיל שני מטוסי מיג 15. הצטרף לנאס"א במסגרת הקבוצה השלישית, ב־1963. ב־1966 טס עם ג'יימס לוֹוֶל בג'מיני 12, האחרונה בתוכנית ג'מיני.
צוות גיבוי.
צוות הגיבוי הורכב מג'יימס לוול כמפקד המשימה, בוגר לימודי הנדסת מכונות וטייס לשעבר בשירות צי ארצות הברית, טס במשימות ג'מיני 7, ג'מיני 12 ואפולו 8. ויליאם אנדרס שימש כטייס תא הפיקוד, בוגר לימודי הנדסת חשמל והנדסה גרעינית וטייס לשעבר בחיל האוויר של ארצות הברית, טס במשימת אפולו 8. פרד הייז שימש כטייס רכב הנחיתה, מהנדס בעיסוקו, טייס קרב לשעבר בחיל האוויר של ארצות הברית.
משימה.
שיגור וטיסה אל מסלול סביב הירח.
לפי הערכות כמיליון איש נוכחו בשיגור אפולו 11 וצפו בו מחופי הים והכבישים בסביבת אתר השיגור. בכירים בפוליטיקה האמריקאית ושגרירים מעשרות מדינות נכחו בשיגור, נשיא ארצות הברית ריצ'רד ניקסון צפה בשיגור ממשרדו בבית הלבן יחד עם קצין הקשר של נאס"א, האסטרונאוט פרנק בורמן. כ־3,500 נציגי תקשורת נכחו באירוע, כשני שלישים היו מארצות הברית והשאר הגיעו מ־55 מדינות שונות. השיגור הועבר ישירות בערוצי הטלוויזיה ב־33 מדינות ומיליונים רבים ברחבי העולם האזינו לשידורי הרדיו.
ב־16 ביולי 1969 בשעה 13:32 לפי זמן אוניברסלי מתואם (UTC) או 9:32 לפי שעון מקומי, משימת אפולו 11 שוגרה על ידי משגר הסטורן 5 מכן השיגור 39A במרכז החלל קנדי שבפלורידה. 2 דקות ו־42 שניות אל תוך הטיסה, כאשר המשגר ועליו החללית נמצאים בגובה של 67 קילומטרים ונעים במהירות של 8,280 קמ"ש, נותק השלב הראשון של המשגר (S-IC) משני השלבים העליונים ונפל למימי האוקיינוס. מספר שניות לאחר מכן, הופעלו מנועי השלב השני, (S-II). 9 דקות ו־8 שניות אל תוך הטיסה כאשר המשגר נמצא בגובה 185 קילומטר ונע במהירות של 24,940 קמ"ש, נותק השלב השני ומספר שניות לאחר מכן הופעל מנועו היחיד של השלב השלישי (S-IVB). 12 דקות אל תוך הטיסה, השלב השלישי האיץ למהירות מסלולית של 28,100 קמ"ש על מנת להיכנס למסלול סביב כדור הארץ בעודו 185 ק"מ מעל פני הארץ.
בשעה 16:22:13 UTC, לאחר הקפה אחת וחצי של כדור הארץ, מנועו של השלב השלישי הופעל בשנית והאיץ את השלב למהירות של 40,000 קמ"ש אשר הייתה דרושה על מנת לשלוח את חללית האפולו לתמרון מעבר ירחי. כעבור כ־30 דקות, מייקל קולינס ביצע תמרון הנקרא "טרנספוזיציה ועגינה" אשר כלל היפרדות של תאי הפיקוד/שירות של החללית אפולו מהשלב השלישי, סיבוב חזרה ועגינה עם רכב הנחיתה הירחי איגל אשר עדיין היה מחובר לשלב. לאחר הוצאת רכב הנחיתה מהשלב השלישי, חללית האפולו בשלמותה עשתה את דרכה לכיוון הירח, בזמן שהשלב השלישי המשיך במסלול אשר גרם לו לחלוף על פני הירח. דבר זה נעשה כדי למנוע מהשלב השלישי להתרסק בחללית, כדור הארץ או הירח. בעקבות מקלעת כבידתית בעודו חולף על פני הירח, השלב נכנס בסופו של דבר למסלול הליוצנטרי.
ב־19 ביולי בשעה 17:21:50 UTC, בהגיעה לקרבת הירח, חללית האפולו הפעילה את מנועה על מנת להיכנס למסלול סביב הירח. במשך 30 ההקפות הבאות, חזה הצוות בנופי אזור הנחיתה המיועד בדרום ים השלווה. אתר הנחיתה נבחר בין היתר מפני היותו שטוח וחלק יחסית וכי לא היה נראה כמו אזור בעייתי לבצע בו נחיתה או פעילויות חוץ־רכביות.
הנמכה אל פני הירח.
ב־20 ביולי בשעה 12:52:00 לפי זמן אוניברסלי מתואם (UTC), אולדרין וארמסטרונג עברו מתא הפיקוד קולומביה אל רכב הנחיתה הירחי איגל והחלו בהכנות לקראת ההנמכה אל פני הירח. בשעה 17:44:00 UTC, רכב הנחיתה נפרד מתא הפיקוד. קולינס, ששהה בתא הפיקוד בחן בעיניו את רכב הנחיתה החג מולו כדי לוודא שהוא לא ניזוק ושציוד הנחיתה נפרס כהלכה.