阿波罗11号发射时间，阿波罗11号的发射现场吸引了超过一百万的人群，全世界观看发射现场直播的观众人数也达到了创记录的六亿人。理查德尼克松总统在白宫椭圆形办公室里观看了现场直播。装载着阿波罗11号的土星5号火箭于美国当地时间1969年7月16日9时32分（13时32分UTC）在肯尼迪航天中心发射升空，发射12分钟后飞船进入地球轨道，速度达到7.67千米/秒。
飞船在环绕地球一圈半后，第三级子火箭点火，使飞船加速到10.5千米/秒，并进行月球转移轨道射入（Translunar injection,TLI)，让阿波罗11号进入地月轨道。30分钟后，指令/服务舱从土星5号分离，并旋转180与第三级火箭内的登月转接器（Lunar Module Adaptor）中的登月舱连接。
阿波罗11号于1969年7月19日经过月球背面，很快点燃了主火箭使飞船减速进入了月球轨道。在环绕月球的过程中，三名宇航员在空中辨认出了计划中的登月点。阿波罗11号的登陆点在宁静海（Mare Tranquillitatis）南部，在Sabine D环型山西南20公里处。这个登陆点被选择的原因是它比较平整(来自于游骑兵8号（Ranger 8）、勘察家5号（Surveyor 5）以及月球轨道器（Lunar Orbiter）提供的信息），也就不会在降落和舱外活动时制造太多困难。登陆之后，阿姆斯特朗把登陆点称做静海基地。
1969年7月20日18:11UTC，当飞船在月球背面时，呼号为鹰号的登月舱从呼号为哥伦比亚号的指令舱中分离。科林斯独自一人留在哥伦比亚上，在鹰号绕垂直轴旋转时仔仔细细地检查了一遍，以确保这个飞行器一切正常。检查过后，科林斯做了一个简单的告别手势两位多加保重便离开了。科林斯的任务是留在指令舱中并绕月球环行，在以后的24个小时中只能监测控制中心与鹰号之间的通讯并祈祷登月一切顺利。如果鹰号发生了意外并且不能够从月面起飞的话(可能性极大)，科林斯就只能独自一人返回地球。
随后，阿姆斯特朗和奥尔德林启动了鹰号的推进器并开始下降。他们很快意识到它飞过头了：他们向月面降落时，表明计算机过载的警报器开始响起。鹰号在下降弹道中多飞了4秒，也就是说登月点会离计划西面若干公里远。导航计算机出现了若干次异常的程序警报。在休斯顿的约翰逊太空中心，飞行控制指挥官史蒂夫贝尔斯（Steve Bales）面临着一个关键的、一刹那间的抉择终止登月计划(这也意味着终止整个飞行计划，因为飞行器上的燃料仅够进行一次尝试)，或者命令宇航员按照计划行动，不要理会登月舱计算机出现的问题。
贝尔斯后来承认，他是凭着直觉允许阿姆斯特朗尝试登月的。重新开始注意窗外之后，阿姆斯特朗发现他们正处在一块岩石和一片硬地之间。计算机失灵导致他们飞过了预选着陆区，而燃料也很快就要耗尽了。此时，阿姆斯特朗选择了手动控制登月舱。登月舱不断下降，燃料开始耗尽登月舱位于月面上空大约9米，所剩燃料仅够用30秒钟阿姆斯特朗在遍布砾石和陨石坑的月面冷静地找到一处适合于着陆的地方，并驾驶登月舱稳稳地降落在月球上。准确的登陆时间是1969年7月20日下午4时17分43秒(休斯顿时间)。
阿姆斯特朗和奥尔德林互相看了一眼，会心地笑了。休斯顿飞行控制中心内鸦雀无声，大家都在静静地等待着。终于，他们听到了阿姆斯特朗的声音：休斯顿，这里是静海基地。鹰着陆成。飞行控制中心顿时爆发出一阵热烈的欢呼声。在登月舱里，阿姆斯特朗和奥尔德林把手伸过仪表盘，默默地握了一下。
登月过程中的程序警报是执行溢出，意味着导航计算机无法在规定时间内完成预定任务。后来发现，溢出的原因是登月舱的对接雷达在降落时没有关闭，使计算机仍然监视并不在使用的雷达。由于在紧急关头的一句继续，史蒂夫贝尔斯后来获得了一枚总统自由勋章。
降落后不久，在舱外活动的准备工作开始之前，奥尔德林通过无线电向地球念道：这里是登月舱驾驶员。我想利用这个机会让所有正在听的人，不论他们是谁或在哪里，静下来，回顾一下过去几小时所发生的一切，并以他或者她自己的方式表示感恩。作为共济会的成员，奥尔德林接下来进行了圣餐礼。奥尔德林将他所进行的圣餐礼保密，甚至都没有告诉他的妻子，因为阿波罗8号宇航员在月球轨道中念的《创世记》使航空航天局被无神论者麦达琳默里欧黑尔（Madalyn Murray OHair）。
登上月球1969年7月21日2点56分(UTC)，鹰号降落六个半小时后，阿姆斯特朗扶着登月舱的阶梯踏上了月球，说道：这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步(Thats one all step for a man,one giant leap for mankind.)。奥尔德林不久也踏上月球，两人在月表活动了两个半小时，使用钻探取得了月芯标本，拍摄了一些照片，也采集了一些月表岩石标本。
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