Наступил день запуска, 21 декабря, который должен был быть произведен с площадки 39-А в 7:51 утра. Центр управления полетами располагался на расстоянии 5,6 км, и все инженеры, техники, личный состав управления полетом собрались, чтобы наблюдать и контролировать запуск космического корабля «Аполлон-8». У всех в НАСА полет вызвал сильное волнение; все вполне осознавали, что это поистине исторический полет. Длинный обратный отсчет прошел по заданному сценарию; не было никаких помех. Когда до старта оставалось 15 минут и шла последняя проверка, Борман и его команда поняли, что полет на Луну уже неизбежен. Проследовали последние минуты отсчета, глаза всех, кто следил за подготовкой к старту, не отрывались от «Сатурна-5». Момент воспламенения выглядел впечатляюще: когда двигатели включились, из подножия ракеты вырвался стремительный поток огня и дыма. Затем удерживавшие ее скобы разошлись, и «Сатурн-5» поднялся над своей стартовой площадкой. Гигантская ракета быстро набрала высоту и скорость, которая уже через 40 секунд стала сверхзвуковой. Примерно через 11 минут полета «Аполлон-8» находился на орбите на высоте 190 км над Землей. Теперь скорость космического корабля была 27 840 км/ч.
В конце второго витка Центр управления полетом НАСА голосом Майкла Коллинза дал команду включить двигатели, чтобы направиться к Луне: заработала ракета третьей ступени, которая помчала космический корабль «Аполлон-8» с околоземной орбиты по направлению к Луне. Теперь ракета несла космический корабль со скоростью 38 762 км/ч по пространственной кривой, которую в НАСА называли «траекторией свободного восстановления»: если не будет никаких дальнейших маневров, космический корабль «Аполлон-8» промчится вокруг Луны, после чего направится назад домой через 136 часов полета в космосе. Однако план полета предусматривал 10 облетов Луны с целью отработки навигации и фотографирования, что означало возвращение экипажа на Землю через 147 часов полета.
Преодоление грозной бездны, разделявшей Землю и Луну, было для экипажа совершенно новым опытом. Они не ощущали никакого движения, несмотря на значительное увеличение скорости при выходе с орбиты Земли. Для четкого определения своего положения в космосе экипаж полагался на данные Центра управления. Они испытали ни с чем не сравнимое чувство, когда увидели, как удаляется от них Земля, становясь все меньше и меньше. Они находились в мире невесомости, где не было ни низа, ни верха, ни дня, ни ночи, и им казалось, что они неподвижны. Долгие часы Луна оставалась вне поля зрения; цель их путешествия появится только в конце. Команда «Аполлона-8», мчась по окололунной пустоте, была вынуждена осознать, что все человечество, за исключением троих в капсуле, находится на этой маленькой голубой планете, исчезающей вдали. Полет за пределами гравитационного притяжения Земли — примерно через три дня путешествия — стал важной контрольной задачей лунного полета. Вскоре они вошли в область действия лунного гравитационного поля. Те, кто это совершил, сообщали об остром чувстве одиночества, потерянности и даже незащищенности и уязвимости.
Самой сложной задачей, стоящей перед проектом «Аполлон», была навигация: пройти 374 400 км к Луне и обратно. Выстроить курс «Аполлона» было гораздо сложнее, чем произвести расчет взаимного расположения двух объектов в космосе. В этом случае три объекта — Земля, Луна и «Аполлон-8» — находились в движении, и все три тела, разные по размеру, находились под влиянием гравитации друг друга. Положение каждого тела относительно двух других тел следовало рассчитать с предельной точностью. Только появление компьютеров позволило найти решение так называемой задачи трех тел, и даже тогда только в весьма специфической лунной системе отсчета. Способность Центра управления НАСА предсказать, где будут находиться Луна, Земля и комический корабль «Аполлон-8» относительно друг друга все время, зависела от высокоскоростных компьютеров. Без них произвести множество расчетов направления и скорости и осуществить полет «Аполлона» было бы невозможно.