רכב הנחיתה הירחי (Lunar Module ובקיצור LM) תוכנן כך שיישא שני אסטרונאוטים ממסלול סביב הירח אל הירח וחזרה למסלול. ה־LM לא צויד במגני חום ונבנה מחומרים קלים, כך שלא היה באפשרותו לטוס באטמוספירת כדור הארץ. רכב הנחיתה היה מורכב משני שלבים: שלב נחיתה ושלב המראה. שלב הנחיתה כלל את מנוע הנחיתה ואת מערכות קיום החיים שנדרשו במשך השהייה על הירח. כמו כן הוא הכיל תאי אחסון בהם אוחסנו כלי עבודה, מערכות מדעיות שהוצבו על הירח וכן את רכב הנדידה הירחי בשלוש משימות הירח האחרונות. שלב ההמראה היה בעצם תא הצוות של רכב הנחיתה והוא הכיל את כל מערכות הבקרה והשליטה, מנוע ראשי להמראה, מנועים קטנים לתמרון ומערכות קיום חיים ששימשו רק בעת ההמראה מהירח אל תא הפיקוד/שירות. לאחר ההמראה מן הירח וההתחברות אל תא הפיקוד היה רכב הנחיתה "מושלך" ומתרסק על הירח.
חברת גראמן זכתה בחוזה לבניית רכב הנחיתה, אך עיכובים בתוכנית הניסוי של הרכב עוררו חשש שפיתוחו יעכב את תוכנית אפולו כולה. רכב הנחיתה המאויש הראשון לא היה מוכן למשימת הניסוי סביב כדור הארץ שתוכננה לדצמבר 1968, אך התוכנית נמשכה כמתוכנן, על ידי ביטול טיסת המבחן המאוישת השנייה של רכב הנחיתה.
במהלך משימת אפולו 13 שימש רכב הנחיתה כ"סירת הצלה", לאחר שהתפוצצות ארעה בתא השירות והוציאה את רובו מכלל שימוש. הצוות, שעבר אל רכב הנחיתה, השתמש במערכות קיום החיים שלו כדי לשרוד, ובמנוע שלו כדי להחזיר את החללית למסלול מהיר אל כדור הארץ. אמנם, נוצרה אז בעיה של ריכוז גבוה מדי של פחמן דו־חמצני, כתוצאה מהעובדה שמסנני רכב הנחיתה תוכננו לספק אוויר מסונן לשני אנשים, ולא לשלושה; ואילו מכלי הסינון של רכב הפיקוד לא תאמו בצורתם את המיכלים של רכב הנחיתה. את הבעיה פתרו מהנדסי מרכז הבקרה בכך שהורו לאסטרונאוטים להרכיב צינורות מאולתרים, שישמשו להתאמה בין הפתחים השונים בצורתם, מחלקים של קלסרים ומיריעות ניילון. במשימה זו הושלך תא השירות לפני שהושלך רכב הנחיתה.
המשגרים.
כאשר החלה קבוצת המדענים והמהנדסים בראשותו של וורנר פון בראון לתכנן את המשגרים לתוכנית אפולו, עוד לא היה ידוע מה תהיה מסת המטען שתידרש למשימה ירחית. שימוש בשיטת הטיסה הישירה על מנת לנחות על הירח דרשה משגר גדול במיוחד – הנובה – שיוכל לשאת יותר מ־59,000 ק"ג אל הירח. החלטת נאס"א להשתמש בשיטת ה־LOR גרמה לביטול התוכנית לבניית משגר הנובה והתאימה ליכולות של משפחת משגרי הסטורן, כך שמרכז טיסות החלל מרשל המשיך בפיתוח הסטורן I, הסטורן IB והסטורן V. אף על פי שהסטורן V היה פחות עוצמתי ממשגר הנובה, הוא עדיין מחזיק בשיא כושר הנשיאה (119,000 ק"ג למסלול LEO ו־45,000 ק"ג אל הירח) מכל משגר הנמצא בפיתוח נכון ל־2012. המשגרים שיכולתם היא הקרובה ביותר ליכולות הסטורן V הם האנרגיה – משגר מעבורת החלל בוראן (100,000 ק"ג למסלול LEO) ומשגר ה־N-1 הכושל (91,000 ק"ג למסלול LEO) אשר יועד לשאת משימות סובייטיות מאוישות אל הירח.
סטורן IB.
משגר הסטורן IB היה שדרוג של המשגר הקודם – הסטורן I. המשגר כלל:
הסטורן IB יכול היה לשגר למסלול LEO את ה־CSM מתודלק חלקית או את רכב הנחיתה הירחי. המשגר שימש את חמשת שיגורי המבחן הראשונים בתוכנית כולל את המשימה המאוישת הראשונה בתוכנית – אפולו 7. המשגר שיגר גם את שלוש המשימות המאוישות במסגרת תוכנית סקיילאב ואת משימת אפולו סויוז.
סטורן V.
הסטורן V היה משגר בעל שלושה שלבים שכלל:
הסטורן V שוגר שלוש פעמים למסלול סביב כדור הארץ. שניים מהם (אפולו 4 ואפולו 6) היו טיסות לא מאוישות של ה־CSM, והשלישית (אפולו 9) הייתה משימה מאוישת בה נבחן רכב הנחיה הירחי. המשגר שימש לשיגור 9 המשימות המאוישות אל עבר הירח, כולל משימת וגם את השיגור הלא מאויש של תחנת החלל סקיילאב (המשגר ששימש לשיגור סקיילאב נקרא סטורן INT-21).
מערכות נוספות.
עבור תוכנית אפולו תוכננו מערכות וכלים שמטרתם הייתה לסייע לאסטרונאוטים בירח, וכן מערכות מדעיות שונות שהוצבו על הירח במהלך המשימות. המערכות המוכרות ביותר מהתוכנית הן:
מתאר משימת אפולו.
חלונות שיגור ואתרי נחיתה.
ב־6 המשימות בהן נחתו על הירח תוכננה הנחיתה לתחילת היום הירחי (שנמשך 28 ימי ארץ). יתרונות הנחיתה ביום היו אור השמש (שהייתה בין 10 ל־15 מעלות מעל לאופק) והטמפרטורות הפחות קיצוניות (ביחס ללילה): בין 0 ל־130 מעלות צלזיוס. מכיוון שכך, חלון השיגור של משימת אפולו שיועדה לנחות על הירח נפתח פעם בחודש למשך יום אחד.
אתרי הנחיתה נבחרו תמיד בצידו הנראה של הירח, כדי שניתן יהיה לתקשר עם כדור הארץ, וקרוב ככל הניתן לקו המשווה הירחי, כדי להקטין את כמות הדלק שתידרש לשם ההמראה ושינוי נטיית המסלול.
שיגור למסלול סביב כדור הארץ.
כל המשימות אל הירח שוגרו מ־LC-39 שבמרכז החלל קנדי, פלורידה. אנשים רבים התכנסו באתרי התצפית כדי לחזות בשיגור הסטורן V, שמשקלו 2,800 טון. חמשת מנועי השלב הראשון הופעלו בבת אחת, ושרפו יחד כ־14 טונות דלק בכל שנייה. לאחר הצתת המנועים והתייצבות הדחף ברמה המקסימלית נותקו צינורות וגשרים של מגדל השיגור, והמשגר התחיל מתרומם באטיות: נדרשו לו 10 שניות לפנות את מגדל השיגור. 2.5 דקות לאחר ההתרוממות המשגר, כשהוא בגובה 56 ק"מ ובמהירות של כ־9,750 קמ"ש, הושלך השלב הראשון. רגעים ספורים אחר כך הוצתו רקטות האצה קטנות לשיקוע ההודפים לתחתית המכלים, ולאחריהם מנועי השלב השני. הושלך המתאם המחבר את שני השלבים הראשונים, ומגדל המילוט נורה (החללית הייתה גבוהה כדי הצורך לצניחת חרום). השלב השני כובה והושלך כאשר המשגר הגיע למהירות כ־24,680 קמ"ש ולגובה 185 ק"מ. עם השלכת השלב השני הוצת מנוע השלב השלישי למשך 140 שניות והכניס את שארית המשגר והחללית למסלול מעגלי (LEO) בגובה 187 ק"מ. הכניסה למסלול אירעה כ־11 דקות לאחר תחילת השיגור.
המסע אל הירח.
לאחר הכניסה למסלול נבדקו כל מערכות החללית לקראת הטיסה אל הירח, ואם היו מתגלות בעיות היה ניתן לנחות חזרה בכדור הארץ. לאחר הקפה וחצי סביב כדור הארץ (כשעתיים ורבע) הופעל מנוע השלב השלישי בפעם השנייה ל־335 שניות והאיץ את החללית למהירות מילוט מכדור הארץ – 40,320 קמ"ש, כך שהחללית הוכנסה למסלול מעבר ירחי. כחצי שעה לאחר הכניסה למסלול המעבר ניתק ה־CSM מהשלב השלישי, התקדם מעט, ביצע סיבוב של 180° כך שחרטום תא הפיקוד הופנה כלפי שארית המשגר ומתאם החללית הירחית (שבתוכו היה ה־LM), התקדם אל ה־LM ולבסוף עגן בו (הפעולות בוצעו על ידי טייס תא הפיקוד). לאחר שאושרה העגינה ניתקה החללית אפולו בשלמותה מהשלב השלישי. השלב השלישי כוון ממרכז הבקרה או למסלול סביב השמש או להתרסקות על הירח.
במהלך 70 שעות הטיסה אל הירח בוצעו תיקוני מסלול כדי להביא למקסימום את יעילות צריכת הדלק בעת הכניסה למסלול סביב הירח ובעת הנחיתה. תיקוני המסלול הפחיתו את צריכת הדלק לשם הכניסה למסלול ב־5% מכמות הדלק שהייתה נדרשת אילולא בוצעו. במהלך המסע החללית הסתובבה כל הזמן באיטיות סביב צירה המרכזי כדי למנוע התחממות יתר של אחד מצידי החללית.
עם ההתקרבות לירח הופעל המנוע הראשי של תא השירות והאט את מהירות החללית על מנת שתילכד בשדה הכבידה של הירח. אם הייתה תקלה במנוע, מסלול המעבר הירחי איפשר את חזרתה של החללית לכדור הארץ ב"טיסה חופשית" ללא שום צורך בהפעלת מנוע. אפשרות ה"טיסה החופשית" אכן שימשה את אפולו 13 שתא השירות שלה שותק. זמן מה לאחר מכן הופעל המנוע שוב והכניס את החללית למסלול מעגלי בגובה 110 ק"מ מעל לירח
ההנמכה והנחיתה על הירח.
הנמכת המסלול.
שלב זה כונה בטרמינולוגיית נאס"א בראשי התיבות DOI - Descent Orbit Insertion.
בשלב זה של המשימה הונמך מסלול רכב הנחיתה מ־110 ק"מ ל־15 ק"מ בלבד מעל לירח, תוך הפיכת המסלול המעגלי למסלול אליפטי (110 × 15 ק"מ). הנמכת המסלול איפשרה לרכב הנחיתה לנחות על הירח תוך שימוש בכמות המינימלית האפשרית של דלק. גבול ה־15 ק"מ נבחר כדי שבעת נחיתת ה־LM לא היה חשש שיאזל הדלק.
עד לאפולו 12 בוצע התמרון באופן הבא: מפקד המשימה וטייס רכב הנחיתה נכנסו אל רכב הנחיתה וסגרו את הצוהר מאחוריהם, בעוד טייס תא הפיקוד נשאר בתא הפיקוד, בו הוא צפוי לחכות לחבריו שיחזרו מהירח. לאחר אתחול מערכות רכב הנחיתה ובחינת מערכותיו, ניתק ה־LM מה־CSM והחל להתרחק ממנו. כשהיה במרחק של כמה מאות מטרים (וכחצי הקפה מההיפרדות) הופעל מנוע ה־LM והמסלול שונה.
החל מאפולו 14 בוצע התמרון על ידי המנוע הראשי של ה־CSM, לפני שה־LM נפרד ממנו, כלומר ה־CSM שינה גם הוא את מסלולו, וכך נחסכה כמות גדולה של דלק מה־LM. במשימות אלו ה־LM נפרד רק לפני תחילת שלב ההנמכה הממונעת.
הנמכה ממונעת.
שלב זה כונה בטרמינולוגיית נאס"א בראשי התיבות PDI – Powered Descent Initiation.
השלב החל כשרכב הנחיתה הגיע לנקודה הנמוכה ביותר במסלולו האליפטי (הפרילון – 15 ק"מ), אז הופעל מנועו הראשי. שלב זה התחלק לשלושה תתי־שלבים: בלימה, גישה (התיישרות) ונחיתה.
השהייה על הירח.
במהלך השהייה על הירח ביצעו האסטרונאוטים פעילות חוץ רכבית (EVA) שכונתה גם "הליכת ירח". במשימת אפולו 11 בוצעה הליכת ירח יחידה ואילו במשימת אפולו 17 בוצעו 3 הליכות. לפני היציאה לירח מילאו האסטרונאוטים את מכלי החמצן והמים הניידים שלהם, לבשו את חליפות החלל ורוקנו את פנים רכב הנחיתה מאוויר. לאחר מכן פתחו האסטרונאוטים את פתח הרכב שהוביל לסולם שירד אל הקרקע.