בשעה 19:08:14 UTC, בעודם מקיפים את הירח בגובה של כ־110 ק"מ, הופעל מנועו של רכב הנחיתה למשך 30 שניות על מנת להיכנס למסלול אליפטי המנמיך אל פני השטח. בשעה 20:05:05 UTC, בגובה של פחות מ־15,000 מטרים מעל פני השטח, הופעל מנועו הראשי של רכב הנחיתה והחל הליך ההנמכה הממונעת שיימשך כשתים עשרה דקות וחצי עד לנחיתה. בהליך זה שלושה שלבים; שלב הבלימה, שלב ההתקרבות ושלב הנחיתה. שלב הבלימה נמשך ב־8 וחצי הדקות הראשונות להנמכה ובמהלכן רכב הנחיתה בולם את מהירותו ומנמיך אל פני השטח. באותן דקות, ארמסטרונג ואולדרין מצאו עצמם חולפים מעל אתרים בפני השטח כשלוש שניות מוקדם מהצפוי; מה שיגרום להם לנחות מספר קילומטרים מערבית מאתר הנחיתה המתוכנן, ודיווחו על כך למרכז הבקרה. מנהל הטיסה, ג'ין קראנץ סבר כי בעיה זו ככל הנראה נבעה מעודף של לחץ אוויר בתא העגינה. לפי סברה אחרת בעיה זו נבעה מהתמרון של רכב הנחיתה לאחר ההיפרדות מתא הפיקוד. חמש דקות אל תוך הליך ההנמכה, מחשב הניווט של רכב הנחיתה הפעיל אזעקה ראשונה מבין כמה, של בעיות תוכנית המכונות 1201 ו־1202. במרכז הבקרה, מהנדס המחשב ג'ק גרמן הודיע לקצין הניווט סטיב ביילס כי ניתן להמשיך בהליך ההנמכה, וזה מסר את ההודעה אל הצוות. אותם אזעקות הצביעו על "הצפה ביצועית", מה שאומר שמחשב הניווט לא יכול היה להשלים את כל משימותיו בזמן אמת ונאלץ לדחות חלק מהן.
לאחר 8 וחצי הדקות הראשונות להנמכה, בעודם כ־2,400 מטרים מעל פני השטח, החל שלב ההתקרבות אשר נמשך כדקה וחצי ובמהלכן רכב הנחיתה המשיך בהנמכה והסתובב בחזרה אל זווית בה יכלו האסטרונאוטים לראות את פני השטח ואת אזור נחיתתם המיועד. כעשר דקות אל תוך הליך ההנמכה בעודם כ־160 מטרים מעל פני השטח, החל שלב הנחיתה אשר נמשך כשתיים וחצי דקות ובמהלכן לקח ארמסטרונג שליטה ידנית על רכב הנחיתה.
נחיתה.
בקרבתם ליעד הנחיתה המעודכן של המחשב, ארמסטרונג ראה שהיעד נמצא באזור מלא בסלעים והחליט לקחת שליטה חצי־אוטומטית על הטיסה. באותו הזמן, אולדרין הקריא נתוני ניווט לארמסטרונג, שהטיס את רכב הנחיתה איגל. ארמסטרונג ידע שאספקת הדלק שלהם מתדלדלת והיה נחוש לנחות בהזדמנות האפשרית הראשונה. בעודם 76 מטרים מעל פני השטח הם חלפו מעל מכתש קטן וכאשר ארמסטרונג מצא חלקת קרקע שטוחה יחסית, הוא תמרן את החללית לעברה. בשלב זה הם היו בגובה של 30 מטרים מעל פני השטח ונותרו עם 90 שניות של דלק. רכב הנחיתה המשיך בירידה ועם התקרבותו לפני השטח העיף מעלה אבק מאדמת הירח. מתחת למשטחי הרגליים של רכב הנחיתה היו תלויות מוטות חישה דקים באורך של 170 ס"מ, כאשר אחד ממוטות החישה נגע בפני השטח, הכריז אולדרין "Contact light!". ברגע זה היה אמור ארמסטרונג לכבות מיד את מנוע החללית ולתת לחללית ליפול את המרחק המעט שנותר, אך במקום זאת הוא המשיך בנחיתה ממונעת עד לנחיתה רכה בפני השטח.
ב־20 ביולי בשעה 20:17:40 לפי זמן אוניברסלי מתואם (UTC) רכב הנחיתה הירחי איגל נחת על פני השטח של הירח באזור המכונה ים השלווה. לאחר הנחיתה הכריז ארמסטרונג ("Houston, Tranquility Base here. The Eagle has landed"). רכב הנחיתה הירחי הגיע לפני השטח עם 98 ק"ג נותרים של דלק. על פי המידע שהיה זמין באותה העת לצוות המשימה ולמרכז הבקרה, נשארו לרכב הנחיתה 25 שניות של טיסה ממונעת לפני שהנחיתה הייתה הופכת ללא בטוחה. אולם על פי ניתוח שלאחר המשימה, לרכב הנחיתה ככל הנראה נותרו כ־50 שניות. אפולו 11 נחתה עם פחות דלק מרוב משימות אפולו שבאו אחריה. לאחר נחיתתם ועל פי לוח הזמנים של המשימה, היו אמורים ארמסטרונג ואולדרין לקבל חמש שעות שינה לפני יציאתם אל פעילות חוץ־רכבית על אדמת הירח, אולם הם החליטו לוותר על השינה ולהתחיל בהכנות ליציאה מוקדם מהמתוכנן מפני שחשבו שלא יצליחו להירדם.
פעילות על פני השטח של הירח.
ב־20 ביולי בשעה 23:43 לפי זמן אוניברסלי מתואם (UTC), החלו ההכנות לקראת הליכתם של ניל ארמסטרונג ובאז אולדרין על הירח. ההכנות לקחו זמן רב יותר מהצפוי; שלוש שעות וחצי במקום שעתיים. במהלך האימונים בכדור הארץ, הכל היה מונח מראש אך על הירח, רכב הנחיתה הכיל מספר פריטים נוספים כמו כלים, חבילות מזון ורשימות. 6 שעות ו־39 דקות לאחר נחיתתם, כשהם לבושים בחליפות החלל, לחץ האוויר ברכב הנחיתה הופחת וארמסטרונג ואולדרין היו מוכנים לצאת החוצה. בשעה 02:39:33 UTC, פתח הרכב נפתח. תחילה ארמסטרונג התקשה להשתחל דרך הפתח בעודו לובש את חליפת החלל המגושמת. בשעה 02:51, ארמסטרונג החל בירידתו אל פני השטח של הירח. במהלך ירידתו במורד הסולם בעל תשעת השלבים, הוא משך ידית שהייתה משמאלו על מנת לפרוס את ציוד הצילום אשר היה מקופל בצידו של רכב הנחיתה, משמאל לסולם.
המצלמה שעל רכב הנחיתה השתמשה בשיטת שידור וידאו הנקראת "Slow-scan television" (SSTV) ואשר לא מותאמת עם שידורי טלוויזיה קונבנציונליים. השידור הועבר בזמן אמת לצג מיוחד ומצלמות הטלוויזיה צילמו את הצג. בכך ירדה משמעותית איכות הצילום, והתמונות שהתקבלו נראו כשקופות, כאשר האסטרונאוטים הנעים על פני השטח דמו לרוחות רפאים. ישנן הקלטות רבות של השידור הטלוויזיוני, אך הקלטות מקוריות בשיטת SSTV אשר הועברו מפני הירח, ככל הנראה אבדו בתחילת שנות ה־80 תוך כדי הליך שגרתי באותה התקופה, כאשר סרטים מגנטיים ועליהם הקלטות משימת אפולו 11 נמחקו ועליהם הוקלט וידאו ממשימות של לווייני תוכנית לאנדסאט. בשנות האלפיים ניסתה נאס"א למצוא את ההקלטות המקוריות, ללא הצלחה.
בשעה 02:56:15 לפי זמן אוניברסלי מתואם (UTC), שש שעות וחצי לאחר הנחיתה, בעוד רגלו הימנית נתונה במשטח שבתחתית הרגל של רכב הנחיתה, ארמסטרונג הניח את כף רגלו השמאלית על אדמת הירח באמרו . שבע דקות לאחר מכן, ארמסטרונג אסף דגימה אקראית מהקרקע באמצעות שקית דגימה על מקל. הוא אז קיפל את השקית והכניס אותה לכיס שעל ירכו הימנית. דבר זה נעשה על מנת להבטיח שתוחזר דגימה כלשהי מאדמת הירח במקרה לא צפוי בו יידרשו האסטרונאוטים לנטוש את הפעילות החוץ־רכבית ולחזור לתוך רכב הנחיתה. 12 דקות לאחר איסוף הדגימה, אולדרין הצטרף לארמסטרונג על אדמת הירח ותיאר את הנוף הירחי כ"שממה מרהיבה". מספר דקות לאחר מכן, ארמסטרונג הוציא את המצלמה מצד הרכב, צילם את הסביבה בסיבוב פנורמי והרכיב את המצלמה על חצובה. כמו כן צולמו תמונות בעזרת מצלמת סטילס.
ארמסטרונג ציין שהתנועה תחת כוח המשיכה של הירח, אשר הוא שישית משל כדור הארץ, הייתה "אפילו קלה יותר מהסימולציות... זה ממש לא בעיה להתהלך כאן". כאשר אולדרין הצטרף, הוא בחן דרכים חדשות להתנועע, כולל קפיצות קנגורו על שתי רגליים. דווח שמערכת תמיכת החיים אשר הייתה בגב של חליפת האסטרונאוטים נטתה לאחור, אך שני האסטרונאוטים לא התקשו לשמור על שיווי משקל. קפיצות ודילוגים הפכו לשיטות התנועה העדיפות והאסטרונאוטים דיווחו שהם צריכים לתכנן את תנועתם שישה או שבעה צעדים מראש. האדמה הדקיקה הייתה חלקה למדי. אולדרין ציין כי המעבר מאור השמש לצלו של רכב הנחיתה לא הביא לשינוי בטמפרטורה בתוך החליפה, אם כי הקסדה הייתה חמימה יותר באור השמש. תוך כדי עבודתם, הם העיפו מעלה אבק ירחי אפור אשר לכלך את החלק החיצוני של חליפותיהם.
האסטרונאוטים נטעו את דגל ארצות הברית בפני השטח של הירח, אל מול מצלמת הטלוויזיה. במהלך ראיון אמר אולדרין כי "מכל העבודות שהיה עלי לבצע על הירח, האחת שרציתי שתעבור הכי חלק היא הנפת הדגל". אך האסטרונאוטים נאבקו עם המוט והצליחו לנטוע אותו רק כחמישה סנטימטרים אל תוך האדמה הקשה. אולדרין חשש שמא המוט יפול אל מול צופי הטלוויזיה אך בסופו של דבר השניים הצליחו להניף את הדגל. עוד לפני שאולדרין היה יכול לצלם את ארמסטרונג עם הדגל, הנשיא ריצ'רד ניקסון שוחח עמם דרך שידור טלפון־רדיו. לניקסון היה במקור נאום ארוך שרצה לקרוא במהלך שיחת הטלפון, אך פרנק בורמן, קצין הקשר של נאס"א במהלך המשימה אשר נכח עם הנשיא בחדר הסגלגל, שכנע אותו לומר את דבריו בקצרה.
הם פרסו על פני השטח כלי מדעי אשר נקרא "Apollo Scientific Experiments Package" (חבילת הניסויים המדעיים של אפולו), והכיל כלי סייסמי למדידת רעידות אדמה על הירח ומערך רפלקטור אשר נועד למדוד את המרחק המדויק בין כדור הארץ לירח. מאוחר יותר ארמסטרונג הלך 60 מטרים מרכב הנחיתה כדי לצלם תמונות של מכתש קטן אשר נקרא "Little West" אותו עברו במהלך ניסיון הנחיתה. בזמן זה, אולדרין אסף שתי דגימות ליבה והשתמש בין היתר בפטיש גאולוגי על מנת לשבור ולבקוע אבנים. לאחר מכן הם אספו סלעים באמצעות מוטות שבקצוותיהם צבתות. שני סוגים של סלעים נמצאו בין הדגימות; בזלת וברקציה. שלושה מינרלים חדשים התגלו בדגימות שאספו האסטרונאוטים: ארמלקולייט, טראנקוויליטייט ופיירוקספרוייט. ארמלקולייט נקרא על שמם של ארמסטרונג, אולדרין וקולינס. כל שלושת המינרלים החדשים שהתגלו לראשונה על אדמת הירח, נמצאו לאחר מכן גם בכדור הארץ.
בעודו על פני השטח, חשף ארמסטרונג לוחית הנצחה אשר הותקנה על רכב הנחיתה ובה שני שרטוטים של כדור הארץ (של ההמיספרה המזרחית והמערבית), כיתוב וחתימות של האסטרונאוטים ושל הנשיא ניקסון. על הלוחית נכתב: "כאן לראשונה הניחו אנשים מכדור הארץ את כף רגלם על הירח. יולי 1969 לספירה. באנו לשלום בשם כל המין האנושי."