Armstrongs andre og siste romferd var som fartøysjef under Apollo 11-ferden i juli 1969. På denne romferden steg Armstrong og Buzz Aldrin som første mennesker ned på månens overflate og gjennomførte to og en halv time med undersøkelser og utforskning mens Michael Collins ble værende i kretsløp rundt månen i kommandomodulen. Armstrong ble det første mennesket som satte sin fot på månen den 21. juli (20. juli amerikansk tid) 1969 og hvor han uttalte de historiske ordene «Det er et lite steg for et menneske, et stort sprang for menneskeheten».