阿波罗15号返回地球

交會對接

在歷經171小時37分6秒後，「獵鷹號」登月艙從月表起飛，上升過程中，沃爾登應休斯敦的要求，播放了一首「空軍之歌」，但他並不知道，任務控制中心切換了一個開關，將他播放的音頻傳到了登月艙。據了解，斯科特對此極為不滿，因為這首歌的播放，
導致他們無法與任務控制中心進行任何通信。  
登月艙進入42×9海里（77.8×16.7公里）軌道，阿波羅15號將進行第一次直接交會，兩艘飛船將在同一軌道上對接，但此時登月艙軌道並不完全與指令/服務艙處在同一平面，所以需要登月艙再次點燃上升引擎。
在接下來飛過月球正面的一段軌道中，太空飛行器繼續靠近，獵鷹號在它較低的軌道上追上了奮進號。一旦二者相距120英尺（40米）左右，就開始保持間距不變。與之前所有的阿波羅任務一樣，太空人們開始大量拍攝這一過程的照片和錄影。在奮進號鎖定對接口後，獵鷹號的使命也就結束了。
打開艙蓋後，太空人們開始轉移在月表所收集的岩石樣本。斯科特和艾爾文也用真空吸塵器清掃他們的太空服，儘可能地清除掉灰塵。同時，還轉移了電影雜誌、食物、尿液和糞便袋（用於體檢）以及一具氧氣淨化系統（OPS）。在月表，氧氣淨化系統被用作應急供氧，或在登月艙乘員無法與指令/服務艙對接，不得不通過出艙方式轉移時所用，沃爾登也將在出艙任務中使用到它。 
轉移作業完成後，他們重新密封了兩船間的艙口並準備拋棄登月艙，這次脫離與前次登月時的不同。現在將是一次爆炸性的拋棄，因為大部分對接探頭結構已不需要了，並將留在登月艙中。在減壓兩船間隧道時出現了些困難，這表明艙口密封不嚴，延遲了軌道分離。檢查艙口後，機組人員仍找不出原因，但隧道現已排空。飛行指令長克里斯多福·克拉夫特（Christopher Kraft）在其2001年回憶錄中寫道，其中一些困難可能是船員疲勞造成的，由於在月球停留時間較長，當時斯科特和艾爾文已持續辛勞22個小時沒有睡眠，而且兩人在月表出艙活動後都出現了心律不齊的症狀。克拉夫特寫道，就所執行的任務，地面控制人員和機組成員間已數次協調破裂，他回憶道這是他在任務控制中心職業生涯中最緊張的經歷之一。
就在阿波羅15號發射前不到一個月，蘇聯聯盟11號發生的死亡事件，導致太空人操作程序規定有了新的變化。聯盟號11號在分離返回艙與軌道/服務艙時，因一個再加壓閥被打開，造成3名機組乘員全部死亡。因此，阿波羅15號任務規劃人員規定，在登月艙與指令/服務艙分離期間，乘員必須穿上耐壓服，這是之以前所沒有的規定。 這些耐壓服引起了一些問題，因為在隧道泄壓前的完整性測試期間，斯科特無法穿好耐壓服。
在最終拋棄登月艙後，指令/服務艙執行了一次小規模的軌道機動飛行助推以進一步與登月艙分離。 獵鷹號則按指令啟動上升段發動機，以便撞擊月球表面。延遲意味著登月艙不會撞擊到原計劃的登月點，而是撞擊在距離著陸點約56英里（90公里）處，月面坐標北緯26°12'、東經0°6'的地方。
太空人們應開始休息了，但由於延誤現在不得不要完成其它一些瑣事，主要是重新打開交會對接階段關閉的科學儀器模塊托架上的儀器，並重定向飛船以便它們能正常工作。就在睡前，他們的實際頂頭上司迪克·斯雷頓發來無線電，告訴他們服用鎮靜劑「速可眠」（司可巴比妥鈉），但遭到太空人們的一致拒絕。
當看到斯科特和艾爾文的心電圖出現了二聯律節奏時，地面醫生們開始擔擾起來。 由於缺鉀，心室以相連的雙次節奏搏動，而非持續的單次搏動。 低鉀血症被認為是由訓練計劃和飛行壓力引起的，後來，艾爾文在1991年死於心肌梗死。
最後3個半小時後，他們打算去睡覺，在任務控制中心第一次向乘員說晚安後的2小時，即月軌的第五十四圈，他們開始睡覺，斯科特和艾爾文已熬了23個多小時了，沃爾登也有21個小時沒睡覺了。

月軌最後一天和進入地球軌道

在飛船動力系統點火將他們送入跨地球軌道（TEI）前，阿波羅15號在月軌度過了最後一天，這一天的主要任務與沃爾登前四天所做的基本相同。
任務控制中心重新對飛行計劃作了很多修改，雷射高度計失靈並宣告損壞；機組人員被告知要用250毫米長焦鏡頭替換哈蘇相機上的80毫米鏡頭，繼續拍攝他們喜歡的照片，帶著未曝光的膠捲回地球是沒有意義的。 
在拍攝目標中的晨昏圈區，太陽看上去要么正在升起，要麼尚位於地平線下。 這些照片非常有用，因為它們能強烈突顯出月表地貌的凹凸特徵。 現在，有船上有三位太空人，可拍攝到更多的照片，其中一位可隨時操縱科學儀器艙並接收任務控制中心的新飛行計劃，機組人員還遵照指令打開了全景相機，對所有主要目標都進行了成像。
當阿波羅15號從第73圈的月球背面出現時，離進入跨地球軌道只剩兩圈了。 在此期間，機組人員必須釋放子衛星並準備返程火箭點火。與指令/服務艙和登月艙一樣，衛星動力系統也是高度冗餘的， 唯一沒有的部件是引擎罩和燃燒室。
該子衛星被設計用於測量月球引力並研究地球和月球的磁層。 外形為31英寸（79厘米）×14英寸（36厘米）的六面體，重約78.5磅（35.6千克），白天由太陽能電池提供電源，夜晚則由銀鎘電池供電。 釋放後它有三根自動伸出的桁臂，長度為5英尺（1.5米）。
在釋放子衛星前，機組人員再次點燃發動機提高軌道，旨在讓子衛星能夠運行更長時間。 經過3秒燃燒，軌道從65.4×52.2海里（121.1×96.7公里）上升到76×54.3海里（140.8×100.6公里）， 在這一新軌道上，預計衛星能存續1年的時間。
當開始第74圈和最後一圈繞月時，機組人員將太空飛行器定位為正確的釋放姿態。子衛星如期釋放，通過引爆兩顆爆炸螺栓，釋放了以彈出加載機制啟動的衛星，一根固定在曲槽中的銷釘使衛星產生自旋， 旋轉有助於衛星的穩定。
在獲得任務控制中心發送的啟動返程動力系統（SPS）所需信息後，阿波羅15號最後一次消失在月球背面。 動力系統準時點火，燃燒2分21秒後，速度提升了3050英尺/秒（930米/秒）。
在太空的第十天，留給太空人們要做的事很少。 月球逐慚遠去，他們繼續拍攝月表，用完所有剩下的膠片。現在他們又回到了地月軌道間陽光恆定的外太空，他們將太空飛行器轉入載人運輸模式（PTC）。

第十一天和艙外活動

在太空第十一天的主要任務是沃爾登的出艙活動， 這是自斯科特在阿波羅9號執行過以來的第一次指令艙駕駛員艙外活動。
在離開月球引力範圍後的第238小時14分51秒，機組人員開始準備，此時地球的引力強於月球引力。 從現在開始，它們將開始加速飛向地球。在收回並關閉儀器艙托架中的設備後，機組人員穿上了太空服並禁用了靠近儀器艙的姿態控制火箭(RCS)，防止因意外點火對沃爾登造成危險，另外，控制面板也罩上了防護裝置，避免因誤碰而打開開關。
檢查過太空服和飛船減壓後，艙門被打開。沃爾登在艙口安裝完電視及電影攝影機後，丟棄了兩袋不需帶回地球的垃圾，然後順著艙殼扶手慢慢移動到科學儀器模塊托架，除收回儀器外，他還要負責對儀器進行檢查，找出各種所遇到問題的原因。
首先，他從全景相機中取出膠捲暗盒，然後將其送回機艙。 然後他在取出測繪相機上的膠捲盒，檢查過「V-over-H」傳感器後，發現並非像任務控制中心認為的有什麼東西遮擋了傳感器，後來的分析發現該問題實際與信噪比有關。 
由於其他儀器的數據已通過無線電發回地球，因此，沒有再需收回的設備了。20分鐘後，艙門再次被關閉並鎖定，儀器艙托架重新轉向，以讓X射線光譜儀對準天蠍座X-1和天鵝座X-1。

第十二天

到當天夜晚，機組人員已為阿波羅計劃創下了一項新的太空耐力記錄（不包括所有的宇宙飛船，如雙子座7號在太空逗留了14天，而聯盟11號則近1個月）。太空人們在太空中度過的第十二天是最安靜的一天，就像所有的阿波羅登月飛行一樣，主要目標已經完成，返程途中幾乎沒有剩下需要去做的事情。 
接下來機組乘員又進行了一次實驗，這次打開艙內燈光照明，看看是否會影響能見度，結果他們發現無法看清外面。
任務控制中心配平了艙內所有的搭載物，如何擺放裝載物是非常重要的，它們必須被放置在飛船設定的重心範圍內，尤其重要的是重170磅（77公斤）的月岩樣品和55磅（25公斤）的全景相機膠捲盒。 
本次飛往的地球部分地區與月食相重合，當月球穿過地球的本影時會發生這種現象。機組乘員接到拍照指令，但由於相機需手持拍攝以及曝光長度不足，所以大多數拍攝的照片都是模糊不清，太空人留在月表的儀器也記錄到了月食，但只是反映表面溫度下降了185開。
機組人員還舉辦了一場太空飛行發布會，指令艙宇航通訊員給他們閱讀了新聞界提交了問題。首先，他們被問及願意再做的事和不想再做的事。斯科特回應說，從哈德利·德爾塔山上俯瞰平原是他最美好的一刻；對沃爾登來說是進入月球軌道，第一次近距離看月球以及進入跨地球軌道，這意味著他們要回家了；艾爾文最喜歡飛船發射，但不願重複部署月球車時，在電視攝像機前跌倒。
大多數問題都集中在月表作業上，例如最重要的發現是什麼？艾爾文回答說，是在「揭示了哈德利山一側的山體結構」。斯科特被要求描述降落獵鷹號時的感受。 他說，月表上的凹坑比預想的更微妙，這使瞄準地標變得更困難。 斯科特還被問及所進行的三次7小時艙外活動的體力負擔，他說沒看到有任何問題，並稱讚任務開始前在地球上所做的訓練，為所有可能發生的事件做好準備。
月球車也是大家很感興趣的話題，艾爾文將它描述成一匹脫韁的野馬，有時只會有兩隻輪子碰到地面。斯科特說，他覺得這是一台非常穩定的機器，在僅1/6的重力下有一點髮漂。 斯科特還被問到遇到很多麻煩的鑽探。 他說，在離地面約一米深的地方遇到了堅硬的岩石，他無法輕易鑽探。 儘管他和艾爾文在提取岩芯樣本時遇到很大的困難，但他認為這是值得的。
斯科特回答了有關錯失北部綜合體的問題，他說，就最初的任務目標而言，北部綜合體甚至都沒被提到，這只是後來添加的。雖然個人有點失望，但這本來就是一個額外的獎勵。
與以往一樣，除一些「漂亮的電視畫面」外，還有一些有關美國納稅人所承擔使命的問題，斯科特說，人類必須去探索，伴隨著大量的科學數據，太空飛行已取得了偉大的探索意義，沃爾登和艾文完全同意這些觀點。
當被問及飛船問題時，太空人們認為除了一些斷路器電路爆裂和動力系統推力開關問題外，飛行非常順利。 艾爾文說「這似乎像是一個次非常平淡的模擬訓練」。
在談到從軌道上描述地質觀測時，沃爾登講了所看到的火山錐以及隕坑數量，特別是在月球背面，似乎已被熔岩流填滿了。媒體也對他獨自一人三天的感受感興趣，他回答說，按照飛行計劃，沒有多少時間坐下來思考，這三天似乎過的非常快。當問到為什麼他的艙外活動很快就回來時，他說並沒很快就回艙，只是完成工作後才進來。
新聞發布會後，取消了第六次的航向修正，飛船進入的跨地軌道非常好，已無需再作進一步的調整。 斯科特、艾爾文和沃爾登在第278個小時開始最後一次的睡眠。

再入大氣層

在太空最後一天醒來後，太空人們最後一次關閉了科學儀器艙架，伽瑪射線光譜儀從吊杆上收回，所有設備都已安全處置。當飛船再入地球大氣層後，與服務艙一起的其它部分將被燒毀。
姿態控制火箭點火燃燒21秒，完成了任務最終的中段修正（MCC-7）或通道控制燃燒，使飛船減速5.6英尺/秒（1.7米/秒）。 現在剩下的全部事情是與服務艙分離，並將飛船調整為平端朝前。
然後，指令艙姿態控制動力系統加壓並檢查甚高頻(VHF)無線電連結， VHF 將在再入時通過黑障區使用。
與服務艙分離是非常重要的一環， 首先，一連串微爆裝置被引爆; 然後撳下開關啟動分離。從此刻起，飛船將由自動駕駛系統接管。船上計時器啟動姿態控制火箭點火加速分離，兩艙間的電氣連接被使用微量火藥彈出炮式插頭插座連接器來切斷，一台火藥驅動的鍘刀則切斷了電線束和管道，並進一步割斷了連接兩艙的系帶，然後用彈簧將它們推開。
進入大氣層後，加速度峰值達到6 g（59米 /秒²），通過黑障區後，速度逐慚放慢。穿過7300米（24000英尺），艙蓋被火藥炸開，釋放出兩套降落傘。 首先，是兩具拖曳傘，它們使指令艙減速並穩定在500公里/小時至280公里/小時，二十秒左右後，三具大型降落傘被拉出。
在該地區的回收部隊報告，只有兩具主降落傘被打開。濺落後沃爾登說，起初所有三具降落傘都正常張開了，但他注意到，在姿態控制火箭燃料（毒性的肼和四氧化二氮）傾泄後，其中一具就塌癟了。飛行後的分析發現未打開降落傘上六根傘繩中有兩或三根不見了。雖然沒有發現確切的原因，但認為傘繩的消失與火箭燃料的傾泄有很大關係。
濺落點坐標估計為北緯26°13』、西經158°13』，位於夏威夷州火奴魯魯以北330英里（530公里）處，距主打撈船-美國「沖繩島」兩棲攻擊艦(LPH-3) 5.3英里（9.8公里）。 
一具降落傘沒打開對航天艙並不影響，它被設計成只要兩具降落傘就可平安著陸，第三具是為有一具失靈情況下的備份。濺落後，座艙保持直立，這意味著自身恢復正常，沒產生延遲。「沖繩島號」上的蛙人幾分鐘內在座艙上安裝了一條海錨並打開艙門，讓船員們進入救生筏。由於先前登月中發現月球上並無生命後，因而，阿波羅15號成為首個沒有對返回太空人作月球微生物隔離檢疫的任務。
他們被空運至夏威夷希卡姆空軍基地，從那裡乘坐洛克希德捷星號噴氣機飛往休斯敦艾靈頓空軍基地。 
指令艙則被陳列在俄亥俄州代頓，賴特-帕特森空軍基地美國空軍國家博物館。