Apollo 8
Sứ mệnh > Đường bay tới Mặt Trăng

Công việc chính của Lovell với tư cách Phi công Mô-đun Chỉ huy là hoa tiêu. Mặc dù Kiểm soát Sứ mệnh thường thực hiện tất cả các tính toán điều hướng thực tế, song vẫn cần một thành viên phi hành đoàn thành thạo việc điều hướng để các phi hành gia có thể quay trở lại Trái Đất trong trường hợp mất liên lạc với Houston. Lovell điều hướng bằng cách sử dụng kính lục phân được tích hợp trong tàu vũ trụ để quan sát sao, từ đó đo góc giữa một ngôi sao và đường chân trời của Trái Đất (hoặc Mặt Trăng). Nhiệm vụ này gặp bất lợi do có một đám mây mảnh vụn lớn xung quanh tàu vũ trụ khiến cho việc phân biệt các ngôi sao trở nên khó khăn.
Đến bảy giờ sau khi bắt đầu sứ mệnh, phi hành đoàn đã chậm so với kế hoạch bay khoảng 1 giờ 40 phút vì gặp vấn đề khi di chuyển ra xa S-IVB và những khó khăn trong việc quan sát sao của Lovell. Tàu vũ trụ được các phi hành gia đặt vào chế độ Kiểm soát Nhiệt Thụ động (Passive Thermal Control, viết tắt là PTC), còn gọi là "barbecue roll" (tạm dịch: "lộn vòng barbecue"), theo đó con tàu sẽ xoay khoảng một lần mỗi giờ quanh trục dài để đảm bảo phân bổ đều nhiệt trên bề mặt phi thuyền. Dưới ánh nắng trực tiếp, một số bề mặt bên ngoài của tàu vũ trụ có thể nóng lên đến hơn 200 °C (392 °F), trong khi các phần trong bóng tối sẽ là −100 °C (−148 °F). Nhiệt độ này có thể khiến tấm chắn nhiệt bị nứt và làm nổ đường dẫn thuốc phóng. Bởi vì không thể đạt được cú lộn vòng hoàn hảo nên tàu vũ trụ đã quét nên một hình nón khi quay. Phi hành đoàn phải thực hiện những điều chỉnh nhỏ sau mỗi 30 phút để tránh hình nón ngày càng lớn hơn.
Lần điều chỉnh giữa chặng đầu tiên diễn ra lúc 11 giờ sau khi bắt đầu chuyến bay. Phi hành đoàn đã thức hơn 16 giờ. Trước khi phóng, NASA quyết định rằng ít nhất một thành viên phi hành đoàn phải luôn tỉnh táo để giải quyết các vấn đề có thể phát sinh. Borman bắt đầu ca ngủ đầu tiên nhưng ông khó yên giấc được vì tiếng radio không ngừng và tiếng ồn từ máy móc. Thử nghiệm dưới mặt đất cho thấy động cơ service propulsion system (SPS) có khả năng nhỏ sẽ phát nổ khi đốt cháy trong thời gian dài, trừ khi buồng đốt của nó đã được "tráng" (coat) trước bằng cách đốt cháy động cơ trong thời gian ngắn. Lần đốt hiệu chỉnh đầu tiên này chỉ kéo dài 2,4 giây và giúp tăng vận tốc thêm khoảng 20,4 ft/s (6,2 m/s) theo hướng thuận hành (hướng đang di chuyển). Sự thay đổi này nhỏ hơn so với dự định 24,8 ft/s (7,6 m/s), nguyên nhân là do một bong bóng khí heli trong các đường ống oxy hóa đã gây ra áp suất thuốc phóng thấp bất ngờ. Phi hành đoàn phải sử dụng các động cơ đẩy RCS nhỏ để bù đắp sự thiếu hụt. Hai lần điều chỉnh giữa chặng theo kế hoạch sau đó bị hủy vì người ta cho rằng quỹ đạo của Apollo 8 đã hoàn hảo.
Khoảng một giờ sau khi bắt đầu ca ngủ, Borman được cơ quan kiểm soát mặt đất cho phép uống thuốc ngủ Seconal, tuy nhiên nó không có nhiều tác dụng. Borman cuối cùng ngủ thiếp đi và sau đó tỉnh dậy với cảm giác ốm yếu. Ông ói hai lần và bị tiêu chảy từng cơn, khiến tàu vũ trụ chứa đầy những khối nhỏ chất nôn mửa và phân mà phi hành đoàn đã phải dọn dẹp hết mức có thể. Borman ban đầu không muốn mọi người biết về vấn đề y tế của mình, nhưng Lovell và Anders cho rằng họ cần phải thông báo Kiểm soát Sứ mệnh. Phi hành đoàn quyết định sử dụng Thiết bị Lưu trữ Dữ liệu (Data Storage Equipment, viết tắt là DSE), có thể ghi âm giọng nói và thực hiện phép đo từ xa rồi chuyển chúng tới Kiểm soát Sứ mệnh với tốc độ cao. Sau khi thu lại mô tả về tình trạng bệnh của Borman, các phi hành gia yêu cầu Kiểm soát Sứ mệnh kiểm tra đoạn ghi âm, trong đó họ "muốn có đánh giá về các bình luận đã nói".
Phi hành đoàn Apollo 8 và nhân viên y tế của Kiểm soát Sứ mệnh đã tổ chức một cuộc họp tại phòng điều khiển trống ở tầng hai (có hai phòng điều khiển giống hệt nhau ở Houston nằm trên tầng hai và tầng ba, nhưng mỗi nhiệm vụ chỉ sử dụng một trong hai căn phòng). Những người tham gia hội nghị kết luận rằng không có gì đáng lo ngại và bệnh của Borman hoặc là cúm dạ dày, như Borman nghĩ, hoặc là do phản ứng với thuốc ngủ. Các nhà nghiên cứu hiện nay tin rằng ông đã mắc hội chứng thích ứng với không gian (space adaptation syndrome), hội chứng này ảnh hưởng đến khoảng 1/3 số phi hành gia trong ngày đầu tiên ở trên vũ trụ khi hệ thống tiền đình của họ thích nghi với tình trạng không trọng lượng. Hội chứng này chưa từng xảy ra trên các tàu vũ trụ trước đây (Mercury và Gemini) bởi vì những phi hành gia đó không thể di chuyển tự do trong cabin nhỏ hẹp của phi thuyền. Không gian tăng lên trong cabin mô-đun chỉ huy Apollo giúp phi hành gia tự do di chuyển hơn, góp phần gây ra các triệu chứng say không gian (space sickness) cho Borman và sau đó là phi hành gia Rusty Schweickart trong chuyến bay Apollo 9.
Giai đoạn du hành của chuyến bay không có nhiều sự kiện quan trọng, ngoại trừ việc phi hành đoàn kiểm tra hoạt động và đường đi của tàu ​​vũ trụ. Trong khoảng thời gian này, NASA đã lên lịch phát sóng truyền hình vào lúc 31 giờ sau khi phóng. Phi hành đoàn Apollo 8 sử dụng một chiếc camera nặng 2 kilôgam (4,4 lb) chỉ phát ở dạng đen trắng bằng ống Vidicon. Camera này có hai thấu kính, một thấu kính góc rất rộng (160°) và một thấu kính tele (9°).
Trong buổi phát sóng đầu tiên này, phi hành đoàn đã thực hiện một chuyến tham quan tàu vũ trụ và cố gắng cho người xem thấy Trái Đất xuất hiện như thế nào từ không gian. Tuy nhiên, những khó khăn khi nhắm thấu kính góc hẹp mà không có sự trợ giúp của màn hình để hiển thị những gì nó đang nhìn vào khiến việc quay Trái Đất là bất khả thi. Ngoài ra, nếu không có bộ lọc thích hợp, hình ảnh Trái Đất sẽ bị bão hòa bởi bất kỳ nguồn sáng nào. Cuối cùng, tất cả những gì phi hành đoàn có thể cho những người đang theo dõi ở mặt đất xem chỉ là một đốm sáng. Sau khi phát sóng được 17 phút, vòng quay của tàu vũ trụ đã đưa chiếc ăng-ten gain cao ra khỏi tầm nhìn của các trạm thu trên Trái Đất. Đường truyền kết thúc với cảnh Lovell chúc mừng sinh nhật mẹ của mình.
Lúc này, phi hành đoàn đã bỏ hoàn toàn ca ngủ theo sắp xếp. Lovell ngủ sau 32,5 giờ bay – ba tiếng rưỡi trước kế hoạch. Lát sau, Anders cũng ngủ sau khi uống một viên thuốc. Phi hành đoàn không thể quan sát Mặt Trăng trong phần lớn hành trình tới đó. Có hai yếu tố khiến thiên thể này gần như không thể nhìn thấy từ bên trong tàu vũ trụ: ba trong số năm cửa sổ bị mờ do thoát khí dầu từ keo silicon, và tư thế cần thiết của phi thuyền cho việc kiểm soát nhiệt thụ động. Phải đến khi phi hành đoàn đi ra phía sau Mặt Trăng, họ mới có thể nhìn thấy nó lần đầu tiên.
Apollo 8 thực hiện buổi phát sóng truyền hình thứ hai sau 55 giờ bay. Lần này, phi hành đoàn đã trang bị các bộ lọc dành cho camera tĩnh để thu lại hình ảnh Trái Đất qua thấu kính tele. Mặc dù khó nhắm mục tiêu vì phải điều khiển toàn bộ tàu vũ trụ, phi hành đoàn vẫn có thể truyền tới Trái Đất những bức ảnh truyền hình (television picture) đầu tiên về hành tinh xanh. Họ dành thời gian truyền tải để mô tả Trái Đất, về những gì có thể nhìn thấy được và màu sắc của nó. Quá trình truyền phát kéo dài 23 phút.