Посадочная ступень была выполнена в виде крестообразной рамы из алюминиевого сплава. В центральном отсеке смонтирован двигатель LMDE, способный к дросселированию в широком диапазоне тяги. В четырех отсеках вокруг центрального были установлены баки с топливом, кислородом для дыхания, гелием для наддува, электронное оборудование, подсистема навигации и управления, посадочный радиолокатор и аккумуляторы. Вся конструкция ступени снаружи была закрыта тепловой и противометеоритной экранновакуумной изоляцией (многослойный майлар с золотым напылением).
Энергия удара при посадке LM на поверхность Луны гасилась разрушающимися сотовыми патронами, установленными в телескопических стойках четырехногого шасси, а также за счет деформации сотовых вкладышей в центрах посадочных пят. Каждая пята была снабжена щупом, сигнализирующим экипажу о контакте с лунной поверхностью. До отделения LM от CSM шасси находится в сложенном состоянии, а после отделения пиропатроны перерезали чеки у каждой "ноги", и под действием пружин шасси выпускалось и становилось на замки.
При возвращении астронавтов посадочная ступень оставалась на Луне — она служила стартовым столом для взлетной ступени. Разделение ступеней производилось подрывом четырех пироболтов.
Взлетная ступень имела три основных отсека (кабину экипажа, центральный и задний), узлы крепления двигателей и антенного блока, тепловой экран. Кабина экипажа цилиндрической формы была изготовлена из алюминиевых сплавов. Два рабочих места астронавтов оборудованы пультами управления и приборными досками, системой фиксации тела, двумя окнами переднего обзора, верхним иллюминатором для наблюдения за процессом стыковки и телескопом в центре. В передней стенке отсека расположили квадратный выходной люк (0,81 х 0,81 м), открывающийся внутрь. Отсек экипажа переходил в центральный отсек, в середине которого под цилиндрическим кожухом был установлен взлетный жидкостный ракетный двигатель.
Система жизнеобеспечения состояла из блока очистки и регенерации атмосферы, регулирования давления, циркуляции воды в терморегуляторе, кранов подзарядки кислородом и водой автономной ранцевой системы жизнеобеспечения астронавтов. Система навигации и управления включала цифровой компьютер с пультом ввода, инерциальный измерительный блок, перископический телескоп, посадочный радиолокатор и радиолокатор встречи с CSM. Кроме того, на борту лунного корабля были установлены четыре приемопередатчика: система обеспечивала голосовую связь, передачу и прием данных для определения траектории, передачу 270 телеметрических измерений, телевизионную передачу на Землю.
21 декабря 1968 года американский корабль "Apollo 8" впервые в истории человечества ушел от Земли к Луне.
Через 11 минут 35 секунд после старта ракеты "Saturn V" (SA-503), "Apollo 8" (CSM-103) был уже на орбите высотой 185 км. Астронавты Фрэнк Фредерик Борман (р. 1928), Джеймс Артур Лоуэлл-младший (р. 1928) и Уильям Элисон Андерс (р. 1933) убедились, что на борту все в порядке.
В расчетное время с Земли передали: "Вам разрешается старт к Луне!" Заработал двигатель ступени "S-IVB", и через 318 секунд, набрав 10 822 м/с, ступень и корабль вышли на заданную траекторию.
В первый день полета все три астронавта чувствовали тошноту — оказалось, что в просторной кабине "Apollo" куда легче получить "космическую болезнь", чем в тесном корабле "Gemini". Фрэнк Борман не мог заснуть, пока не принял секонал, за что наутро расплатился головной болью, рвотой и поносом.
Через 55 часов корабль пересек точку равного притяжения Земли и Луны. Своей цели астронавты не видели — Луна терялась в солнечном сиянии. 24 декабря, когда они уже шли в тени над Луной, стала видна ее кромка. И лишь за три минуты до включения двигателя на торможение "Apollo" вышел из тени, и астронавты смогли разглядеть лунный пейзаж прямо под собой.
Через 69 часов корабль уменьшил скорость и вышел на окололунную орбиту высотой в периселении 111 км и в апоселении 312 км. На 72-м часу астронавты включили телевизионную камеру и показали землянам, как выглядит Луна. Она казалась совершенно бесцветной, серой и сплошь покрытой кратерами.
Через час, закончив два витка, астронавты включили двигатель еще раз, сделав орбиту почти круговой. При этом они вели съемку Луны, отрабатывая методику навигации на селеноцентрических орбитах.
После десяти витков вокруг Луны наступил самый тревожный момент полета — был включен маршевый двигатель для возвращения к Земле. Все прошло нормально, сигнал с "Apollo" появился в ожидаемое время — получилось! Но минуло еще шесть долгих минут, прежде чем на Земле услышали голос Джеймса Лоуэлла: "Да будет вам известно, это Санта-Клаус". Рождество наступило в Хьюстоне за полчаса до этого.
27 декабря командный модуль "Apollo 8" вошел в атмосферу и приводнился неподалеку от авианосца "Йорктаун".
Полет "Apollo 8" прошел исключительно успешно. Корабль отработал блестяще, была проведена детальная разведка лунной поверхности и в особенности — предполагаемого района первой экспедиции в Море Спокойствия. Астронавты "Apollo 8" пробыли в космосе 6 суток и 3 часа. Народ США ликовал — после многих лет космических "унижений" американские астронавты наконец-то сделали то, чему не научились еще советские конкуренты.
3 марта 1969 года был предпринят следующий шаг. "Saturn V" впервые вывел на околоземную орбиту весь лунный комплекс: командно-служебный модуль CSM и лунный модуль LM-3. Целью миссии "Apollo 9" были летные испытания пилотируемого корабля на околоземной орбите с имитацией режимов работы и условий высадки астронавтов на Луну.
Запуск ракеты "Saturn V" (SA-504) прошел успешно, и через 11 минут 15 секунд после старта ступень с кораблем общей массой 134 т вышли на орбиту высотой 187 км в апогее. На борту находились три астронавта: Джеймс Олтон Мак-Дивитт (р. 1929), Дэвид Рэндолф Скотт (р. 1932) и Рассел Луис Швайкарт (р. 1935).
Через два часа Дэвид Скотт отстыковал команднослужебный модуль (CSM-104, "Gumdrop"), отлетел на 15 м и развернулся. Четыре панели переходника были отстрелены, и оставшийся без укрытия лунный модуль (LM-3, "Spider") можно было фотографировать. Еще через час Скотт пристыковал командный модуль к лунному. Туннель между двумя модулями был наддут, Скотт открыл люк и убедился в правильности срабатывания 12 замков стыковочного устройства. Вместе с Швайкартом они соединили электрические цепи и подали питание на лунный модуль, после чего закрыли люк.
Через шесть часов после старта астронавты провели коррекцию орбиты и подняли апогей до 236 км — при этом проверялась устойчивость стыковочного устройства к вибрации и нагрузкам.
В течение вторых суток полета астронавты отрабатывали развороты комплекса по трем осям и сделали три включения маршевого двигателя.
Задачей третьих суток были испытания систем лунного модуля. Рассел Швайкарт должен был демонтировать стыковочный узел и первым перейти в него, но при надевании скафандра астронавта стошнило. Вместо него задачу выполнял Дэвид Скотг.
На четвертые сутки полета был запланирован выход Швайкарта в открытый космос из лунного модуля с переходом по поручням к люку командного и обратно с целью испытания лунного скафандра в космическом вакууме. Швайкарт чувствовал себя лучше, и ему разрешили выход на площадку у переднего люка.
На пятые сутки полета экипаж провел самый ответственный эксперимент — автономный полет LM-3. Программа взаимного маневрирования была выполнена в полном объеме.
Следующие пять суток астронавты продолжали испытания систем корабля, проводили фотографирование Земли и настраивали связь, наблюдали пролетевший мимо спутник, выполняли пробные включения маршевого двигателя.
13 марта 1969 года, завершив программу, экипаж "Apollo 9" вернулся на Землю, приводнившись вблизи вертолетоносца "Гвадалканал". Астронавты пробыли в космосе 10 суток и 1 час.