tuğuna oturan Kennedy, seçim kampanyası boyunca uzay çalışmalarına önem vereceğini açıkça belirtmişti. Seçimi kazandıktan kısa süre sonra Kongre'de yaptığı konuşmada Sovyetlere karşı seçtiği hedefi açıkladı: 

Ay'a insan indirme ve geri getirme hedefine ulaşmak için başlatılan projeye "Apollo" adı verildi. Apollo Programı, Kennedy yönetiminin hem sol hem de sağ kanattaki politikacıların eleştirilerine karşı kendini savunmasına olanak sağlıyordu.
Apollo'nun avantajları şunlardı:

Nasa müdürü James E. Webb ile yapılan bir sohbette, Kennedy şöyle dedi:

Kennedy ve Johnson halkın görüşünü yönlendirerek Apollo programına 1963'te % 33 olan güveni 1965'te % 58'e çıkardılar. Johnson'ın 1963'te başkan olmasından sonra devam eden desteği, programın başarılı olmasını sağladı.
Kennedy, Sovyet ve Amerika Birleşik Devletleri astronotlarının aya inişleri ve hava durumu analizi yapan uyduların geliştirilmesi konularındaki programları birleştirmek amacıyla Sovyetlere teklif götürdü. Ancak Kruşçev, o zaman için Amerika'ya göre üstün olan Rus uzay teknolojisinin çalınması konusunda gösterdiği hassasiyet sebebiyle bu teklifi geri çevirdi ve Sovyetler kendi insanlı Ay projelerini yürüttüler.

Sovyetlerin insansız uzay roketlerinin Ay'a daha önce ulaşmış olmasına rağmen, 20 Temmuz 1969'da Ay'a adım atan ilk insan Amerikalı Neil Armstrong oldu. Apollo 11 görevinin komutanı olan Armstrong bu tarihî anda yaklaşık 500 milyon kişi tarafından izlendi. 20. yüzyılın en önemli olaylarından biri kabul edilen insanoğlunun Ay'a ayak basışını Armstrong şu kelimlerle dile getirmiştir:

Sovyetler, insanın Ay'a ayak basması hakkında çelişkili duygular yaşadılar. Sovyet Lideri Kruşçev ne başka bir güç tarafından saf dışı bırakılmak ne de böyle büyük maliyetli bir projeyi başlatmak istemişti. 1963 Ekim'inde Sovyetler, kozmonotlarının Ay'a uçuş hakkında herhangi bir hazırlık yapmadığını ancak yarıştan çekilmediğini belirtti. Sovyet yönetimi ancak 1964'te (Amerika Birleşik Devletleri yönetiminden üç yıl sonra) Ay'a iniş konusunda kesin karar alabildi.

Amerika Birleşik Devletleri'nin aksine, SSCB'de uzay çalışmalarını yöneten merkezî bir organizasyon yoktu. Sovyetler'de çeşitli "tasarım büroları", çoğu kez birbiriyle rekabet içinde çalışıyordu. Sovyetlerin en büyük tasarım bürosu OKB-1'in baştasarımcısı olan Korolyov aya iniş görevlerinde kullanılmak üzere insan taşıyabilecek kapasite sağlamak için Soyuz uzayaracını ve onu Ay'a taşıyacak dev N1 roketlerini geliştirmeye başladı. Beri yandan, başka bir tasarım bürosu, Çelomey yönetimindeki OKB-52, yeni bir roket (Proton) ve uzay aracı (Zond) tasarlamaya başlamıştı.
Sovyetler'in en tecrübeli tasarımcısı Korolyov'un 1965'teki erken ölümü ve 1967'de Soyuz'un ilk fırlatılışında yaşanan başarısızlıkla Sovyetlerin Ay'a iniş programı çözülmeye başladı. Sonunda Ay'a iniş yapacak aracı tasarlayıp görev alacak uzayadamlarını seçtiler. Ancak N1 roketinin denemesinde art arda yaşanan başarısızlıklar, insanlı inişin önce ertelenmesine, sonra da iptaline sebep oldu.

Sovyetler, bu başarısızlıktan sonra Ay programlarının varlığını uzun süre inkar ettiler. Hatta Ay'a insan indirmenin çok riskli ve pahalı olduğunu, uzayadamlarının hayatını böyle gereksiz bir macera için riske atamayacaklarını ve kaynaklarını halklarının refahı için harcamayı tercih ettiklerini açıklayarak bir karşı-propaganda yaptılar. Buna göre, Sovyetler, robotlar kullanarak Apollo Programı'nın sonuçlarına daha ucuza ve uzayadamlarını riske atmadan ulaşabileceklerdi. Bu iddialar doğrultusunda, Ay'a gerçekten robotlar göndererek toprak örnekleri almayı da başardılar. Luna 16 robotu 24 Eylül 1971'de Ay'dan aldığı örneklerle dünyaya döndü. SSCB'nin Ay'a insan indirmek konusunda Amerika Birleşik Devletleri ile gerçek bir rekabete girdiği ancak 1990'lı yıllarda ortaya çıktı.

Ay'a iniş, uzay yarışının en çok rekabet yaşanan önemli kilometre taşıydı. Bu aşamada ABD, Kennedy'nin "1960'lı yıllar bitmeden Ay'a insan indirme" hedefini gerçekleştirerek Sovyetler'e karşı kesin bir zafer kazanmış oldu.

Sovyetler'in uzay yarışının bu en kritik safhasında kaybetmesinin başlıca nedenleri şunlardır:

 Ay yarışını kaybeden Sovyetler'in önünde uzay yarışını sürdürmek için başlıca iki seçenek bulunuyordu:


Sovyetler daha ucuz ve mütevazı seçenek olan uzay istasyonlarını seçtiler. Bu konudaki çalışmalar 1960'ların ortasında başlamıştı. 19 Nisan 1971'de ilk insanlı uzay istasyonu olan Salyut 1'i uzaya gönderdiler. 6 Haziran 1971'de ilk mürettebat bir Soyuz kapsülü içinde istasyona ulaştı.

Sovyetler 1980'lere kadar 7 Salyut istasyonunu yörüngeye gönderiler. Bu istasyonlar görece basit, ucuz, ancak etkili ve güvenli uzay platformları olarak hizmet verdi. Salyut 7, 1991 yılına kadar yörüngede kalmayı başardı. Salyut'lara 30'dan fazla uzay uçuşu ile 70'ten fazla mürettebat gitti. Bu uçuşlarda uzayın insan organizmasına etkileri üzerine değerli bilgiler ve tecrübeler edinildi, uzayda kalma rekorları kırıldı. Bu bilgilerden daha sonraki MIR ve Uluslararası Uzay İstasyonu projelerinde yararlanıldı. Ayrıca, uzayda neredeyse sürekli olarak Sovyet vatandaşlarının bulunması da sağlanmış oldu.

Ay'a insanlı inişin ardından Amerika Birleşik Devletleri de uzay istasyonu projesiyle ilgilenmeye başladı. Böylece Sovyetler'in uzay istasyonu projesine cevap verilmiş olacaktı. Ayrıca, son uçuşları iptal edilen Apollo Projesi'nden elde kalan Satürn roketlerinden yararlanmak, böylece maliyetleri düşürmek mümkün olacaktı.

Amerika Birleşik Devletleri'nin ilk (ve halen tek) uzay istasyonu olan Skylab, 14 Mayıs 1973'te uzaya gönderildi. İstasyona ilki 25 Mayıs 1973'te olmak üzere üç seferde toplam dokuz uzayadamı gönderildi. Skylab, "uzay laboratuvarı" anlamına gelen bir İngilizce tamlamadır. Skylab'ın çalışmaları, ismine uygun olarak bilimsel konularda yoğunlaşmıştır. İstasyonda 2.000 saatten fazla bilimsel deney çalışması yapılmıştır.

1979 yılında Avustralya kıtasında çöle düşmüştür, bazı parçaları halen NASA'da sergilenmektedir.

Apollo - Soyuz Test Projesi'nin, rakip tarafları bir araya getirerek sembolik olarak uzay yarışını sona erdirdiği söylenir.

Ortak bir Amerikan-Sovyet uçuşu için görüşmeler 1969'da başladı. Bu uçuşta Salyut ve Skylab istasyonlarının kullanılması önerileri reddedildi. Bunun yerine, uzayda acil kurtarma operasyonları için hem Amerikan hem Sovyet uzay araçlarına uygun bir kenetlenme mekanizması geliştirildi. 1970'te projenin çalışma grubu oluşturuldu. Mayıs 1972'de konuyla ilgili Amerikan-Sovyet antlaşması imzalandı.

17 Haziran 1975'te Amerikan Apollo ve Sovyet Soyuz araçları kenetlendi. Uzayadamları bazı seremonilerden sonra birbirlerinin uzay gemilerine geçerek incelemeler ve muhtelif deneyler yaptılar.

ASTP, uzayda milletlerarası bir kurtarma çalışması yapılması için gerekli teknolojinin gelişmesini sağladı ve bir prova görevi üstlendi. Ancak uzay çalışmalarının geneli düşünüldüğünde, bir iyi niyet gösterisi olmaktan öteye gidemedi. Bu tür bir kurtarma operasyonunu gerektirecek herhangi bir durum ortaya çıkmadı.

ASTP, Apollo uzay aracının son uçuşu oldu. ABD, insanlı uçuşlara altı yıl ara verdi ve ancak 1981'de uzay mekiği ile tekrar başladı.

Uzay yarışının başarısı, gerçekleştirilen "ilk"lerle ölçülür. Yarışın ilk döneminde Sovyetler "ilk uzay aracı", "uzayda ilk canlı", "uzayda ilk insan" ve "uzayda ilk kadın" gibi unutulmaz ilklere imza attı.

Amerika Birleşik Devletleri yönetimi ise Sovyetler'e karşılık vermek için kararlılığını ortaya koyduğunda, ülkenin geniş kaynakları ve yönetim örgütlenmesinin gerçek potansiyeli ortaya çıkmıştır. Amerika Birleşik Devletleri sadece Ay'a ilk ayak basan ülke olmakla kalmayıp, bunu 9 yıl gibi görece kısa bir proje sonucunda başarmıştır. Uzay yarışında ilklere imza atmakta SSCB'nin gerisine düşen Amerika Birleşik Devletleri Ay'a ilk ayak basan ülke olmasının en önemli ilk olduğu propagandasını yaparak uzay yarışında öne geçtiğini savunmuştur.

Korolyov'un tasarımı olan Soyuz uzayaraçları, uzay yarışı bittikten çok sonra, 21. yüzyılda da kullanılmaya devam edilerek güvenilirliğini kanıtladı. Özellikle beş Uzay Mekiği'nden ikisinin kazalarda yok olmasının ardından Soyuz, Uluslararası Uzay İstasyonu'nun başlıca personel taşıma aracı haline geldi.

Uzay Yarışı için gerekli teknolojinin prematüre, alelacele geliştirildiğini, bu nedenle kaynakların gereksiz yere harcandığını ve personelin tehlikeye atıldığını öne sürenler vardır. Gerçekten de, mesela Ay'a iniş projesi dokuz yıl içinde değil de otuz yılda gerçekleşseydi, harcanması gereken kaynak önemli ölçüde azalabilecekti. Bu görüşe karşı, uzay yarışı sayesinde bilimsel ve teknik gelişmenin hızlandığını ve insanlığa yararlı teknolojilerin erkenden ortaya çıktığını söyleyenler de vardır.

Uzay Yarışı sırasında gerçekleşen ölümler, bu konudaki teknolojinin acele geliştirildiğini söyleyenleri haklı çıkarmaktadır. Sovyetler, ABD'yi Ay projesinde gereksiz risk almakla suçlamış olmakla birlikte, kaza ve ölümlerin her iki tarafta da olması, Sovyetlerin de yarışı kazanmak uğruna güvenliği geri plana attığını göstermektedir. Uzay Yarışı boyunca görev sırasında meydana gelen ölümlü kazalar şunlardır:
Uzay Yarışı, iki mühendislik yaklaşımının yarışı da olmuştur: ABD, uzay araçlarında karmaşık ve birbirini yedekleyen sistemler oluşturmuştur. Böylece Amerika Birleşik Devletleri uzay araçları daha geniş yelpazeli görevlere uyum sağlayabilir hale gelmiştir. Nitekim Apollo 13 kazası, birbirini yedekleyen sistemlerin çokluğu sayesinde can kaybı olmadan atlatıldı. SSCB ise nispeten daha basit ve denenmiş sistemlerin tekrar kullanımına dayalı bir yaklaşım geliştirmiştir. Sistemlerin basit olması, hata olasılığını azalttığından ve maliyetleri düşürdüğünden uzay çalışmalarında tercih edilir.

Yarışın bitmesinin başlıca nedenleri şunlardır:

Uzay yarışı sonrasında taraflar uzay çalışmalarına "kendi yollarında" devam ettiler. Aralarındaki prestij yarışı büyük ölçüde sona erdi. Bununla birlikte, teknolojik yarışın tam olarak sona erdiği söylenemez. Sovyetler Amerika Birleşik Devletleri'nin uzay mekiğ