Der Mission vorausgegangen waren mehrere Erkundungsflüge sowohl der USA als auch der UdSSR. Im Dezember 1968 war die Apollo 8- Mission ebenfalls bis zum Mond vorgedrungen, hatte diesen aber nur umrundet, ohne darauf zu landen. Michael Collins blieb im Raumschiff Columbia zurück und umrundete in diesem den Mond, während Aldrin und Armstrong, der Kommandant der Mission, in der von der Columbia gelösten Landefähre Eagle - benannt nach dem Wappentier der USA - auf der Mondoberfläche aufsetzte. Als Schlagzeile in der Washington Post war am nächsten Tag der Satz The Eagle has landed zu lesen, ein Satz, den Armstrong nach dem erfolgreichen Aufsetzen des Moduls an die Leitstelle in Houston sendete. Diese Formulierung sollte später zum geflügelten Wort werden. Aldrin forderte die Zuhörer in einem weiteren Funkspruch auf, einen Moment innezuhalten und für die Ereignisse der letzten Stunden Dank zu sagen.

Sechseinhalb Stunden nach der Landung folgte dann der große Moment, in dem Neil Armstrong die Leiter vom Modul zum Mondboden herab stieg und die berühmten Worte vom kleinen Schritt für einen Menschen, aber einem riesigen Sprung für die Menschheit sagte:

“That’s one small step for a man, one giant leap for mankind”

Aldrin folgte ihm wenig später. Wie auch Armstrong testete er zunächst die besten Möglichkeiten zur Fortbewegung; schließlich erwiesen sich kleine Sprünge angesichts der geringen Schwerkraft und des schweren Raumanzugs als beste Lösung. Gemeinsam errichteten die beiden die Kamera und den Monitor für die TV-Übertragung der weiteren Arbeiten, machten Fotos von der Mondfähre und ihrer Umgebung, nahmen Bodenproben und errichteten die amerikanische Flagge. Kurz darauf fand ein Telefonat zwischen den beiden Astronauten und dem amerikanischen Präsidenten Richard M. Nixon statt, das dieser als das historischste Telefongespräch, das jemals vom Weißen Haus geführt wurde bezeichnete. Die vorgesehenen Arbeitsschritte nahmen etwas mehr Zeit in Anspruch als geplant, so dass die Entnahme von Proben nach einiger Zeit abgebrochen werden musste, um die Gesundheit der Astronauten nicht zu gefärden. Insgesamt wurden etwa 22 Kilo Gestein mit zur Erde zurück geführt. Die beiden ließen schließlich noch eine Kapsel mit Gegenständen auf dem Mond zurück, darunter eine Scheibe mit Friedensbotschaften des amerikanischen Präsidenten und von 73 Staats- und Regierungschefs aus aller Welt. Nach dem Wiedereinstieg in die Fähre und einer mehrstündigen Ruhepause begann dann schließlich die Rückreise zur Erde.

In der Nähe des Johnston-Atolls, 1400 Kilometer westlich von Hawaii, landete die Raumkapsel mit den drei Astronauten am 24. Juli 1969 wieder auf der Erde und wurde von der USS Hornet geborgen. Aldrin, Armstrong und Collins verbrachten die folgenden drei Wochen in Quarantäne, weil befürchetet worden war, sie könnten von unbekannten Umgebungsbelastungen betroffen sein. Nach gründlichen medizinischen Checks konnte aber Entwarnung gegeben werden und die drei verließen die Quarantäne am 13. August 1969. Am selben Tag fanden unter anderem in New York City und Los Angeles Paraden zu Ehren der Astronauten statt. Diese begannen am nächsten Tag eine mehrwöchige Ehrentour, die sie durch 25 Länder führte, wo sie jeweils in unterschiedlicher Form für ihre Verdienste geehrt wurden.

Relikte von der wohl historischsten Mission der Luft- und Raumfahrtsgeschichte, darunter das Kommandomodul, in dem Michael Collins während des Mondbesuchs bleiben musste, sind heute im National Air and Space Museum in Washington DC ausgestellt.