Запуск «Аполлона-11» был для НАСА напряженным событием, которое прошло без каких-либо технических сбоев, снова продемонстрировав впечатляющую мощь и надежность гигантской ракеты «Сатурн-5». Экипаж «Аполлона-11» назвал свой командный модуль «Колумбия», а лунный посадочный модуль — «Орел». Выйдя на орбиту, экипаж получил долгожданный приказ к переходу на окололунную орбиту, и двигатель третьей ступени «Сатурна-5» был повторно включен, чтобы вывести космический корабль по направлению к лунной траектории. Во время своего трехдневного полета «Аполлон-11», как и во время других путешествий к Луне, повторил маневр регулирования температуры прошлых лунных миссий. При этом космический корабль располагался боком к Солнцу, а затем медленно вращался, по словам одного астронавта, «как цыпленок на вертеле автоматического барбекю». Переход на траекторию к Луне прошел по сценарию двух предыдущих полетов, «Аполлона-9» и «Аполлона-10». Достигнув лунной орбиты, космический корабль «Аполлон-11» замедлил свое движение, перейдя на двухимпульсный режим (работа двигателей с двумя периодами), чтобы войти в гравитационное поле Луны. Оказавшись на новой орбите, «Аполлон-11» следовал по почти круговой траектории на высоте 96 км над лунной поверхностью. Последовали перемещение и стыковка лунного модуля, повторившая хорошо отработанный маневр извлечения его из третьей ступени «Сатурна» для стыковки с командным модулем. На четвертый день все было готово для снижения на лунную поверхность.
Встреча с Луной внушала благоговейный трепет и страх всем членам экипажа «Аполлона-11». В своих воспоминаниях Коллинз писал: «Начать с того, что она была огромной, полностью закрывая иллюминатор. Во-вторых, она трехмерная: ее брюхо выпячивается в нашу сторону так сильно, что я почти чувствую, что могу потянуться к ней и коснуться ее… Она находится под углом между нами и Солнцем, создавая самое бесподобное освещение, которое только можно вообразить». При таком близком наблюдении непрерывно смещающаяся перспектива солнечного света придавала Луне особый характер: «Солнце создает вокруг нее ореол, сияя на ее задней поверхности, и солнечный свет, который каскадами падает на ее края, придает ей загадочный и изысканный вид, подчеркивая размер и текстуру ее слабо освещенной, как оспой обезображенной поверхности… Эта холодная величественная сфера зловеще нависает там, ее присутствие, беззвучное и неподвижное, ужасает, и мы не чувствуем, что она приглашает нас посетить свои владения».
В воскресение, 20 июля, экипаж «Аполлона-11» приготовился к снижению на эту грозную территорию. Процедура началась с открепления лунного модуля, который затем быстро заработал в двухимпульсном режиме и помчал Армстронга и Олдрина по направлению к лунной поверхности. Хотя посадка на Луну неоднократно отрабатывалась на наземных тренажерах, маневры реальной посадки представляли для экипажа множество опасностей. «Орел» должен был опуститься точно в определенном месте, выбранном для этого заранее для обеспечения безопасности. Первоначально Армстронг и Олдрин приняли странное положение ногами вперед; в этой неловкой позе надо было находиться во время снижения с включенным двигателем. В этот момент они всматривались через иллюминаторы в черную бездну. Затем, по сигналу, лунный модуль перевернулся, и Армстронг начал напряженно искать нужное место посадки. Два астронавта столкнулись с «программным сигналом тревоги», но Центр управления отдал указания игнорировать предостережение.
Теперь лунный модуль начал свой последний спуск к Морю Спокойствия. Армстронг выглядывал через иллюминатор лунного модуля, чтобы следить за осуществлением кульминационной стадии программы снижения, управляемой компьютером. Находившийся неподалеку от хрупкого лунного модуля Олдрин следил за их продвижением, выкрикивая периодически показания высоты и скорости. Вскоре показалась намеченная зона посадки, ясно видимая Армстронгу с высоты приблизительно 300 м. Для Армстронга запланированная территория посадки казалась теперь проблематичной. Неожиданно он обнаружил большой кратер, окруженный валунами и скалами, некоторые из которых были весьма внушительными. Он затем направил лунный модуль вперед, установив его почти горизонтально, и он заскользил над полем, усыпанным валунами, на высоте 100 м. Армстронг действовал быстро, даже когда Олдрин громко продолжал свои отсчеты: «Шестьсот футов[9], вниз на девятнадцать футов в секунду… Четыреста футов, вниз на девять… Двести футов, вниз на четыре с половиной… Сто футов, вниз на три с половиной, девять вперед. Остаток топлива пять процентов… Сорок футов, вниз на два с половиной, поднимая немного пыли…» Хьюстон зазвучал: «Тридцать секунд. Вот насколько им хватит топлива. Лучше достань его на земле, Нейл». Через мгновение, которое казалось вечностью, Армстронг умело направил модуль на мягкую посадку, хотя тормозящий двигатель поднял огромное облако пыли. «Есть контакт!» — жизнерадостно сообщил Олдрин, отправляя подтверждение безопасного прилунения. В Центре управления напряжение достигло высшего уровня. «Мы записываем ваше сообщение, Орел», — объявил Хьюстон экипажу «Аполлона-11». Это, по словам Коллинза, было «наполовину вопросом и наполовину ответом». Наконец, Армстронг подтвердил космический триумф: «Хьюстон, здесь Море Спокойствия. „Орел“ совершил посадку».