Start von Cape Canaveral (KSC); Landung östlich der Samoa-Inseln im Pazifik.

Die Mission war die abschließende Generalprobe für die Mondlandung und zugleich die zweite bemannte Mondumkreisung, aber erstmals mit kompletter Hardware. Ihr Ziel war ein Testflug der Mondlandefähre unter realen Bedingungen in der Mondumlaufbahn, in dem Abstiegs-, Aufstiegs-, Rendezvous- und Andockmanöver geprobt wurden.

Wie schon bei Apollo 8 wurde zuerst eine Erdumlaufbahn angesteuert. Nach zwei Erdumkreisungen wurde die dritte Stufe der Saturn-Rakete ein zweites Mal gezündet, um das Apollo-Raumschiff auf den Weg zum Mond zu bringen.

Es erfolgte die Abkopplung der Mondlandefähre Snoopy mit Thomas Stafford und Eugene Cernan und die anschließende Annäherung an die Mondoberfläche auf 15,243 km mit Hilfe des Antriebs der Landestufe des LM. Bei der Rückkehr wurde die Landestufe abgesprengt, Die Rückkehr zu John Young im Kommando- und Servicemodul erfolgte mit Hilfe des Antriebes der Startstufe des LM nach rund achtstündiger Trennung. Während des Wiederaufstieg begann die Mondfähre aber wegen eines Fehlers im Lageregelungs-System zu taumeln. Thomas Stafford war gezwungen, die Computersteuerung abschalten und die korrekte Lage über die manuelle Steuerung wiederherstellen. Auch das Kommando zum Zünden des Haupttriebwerks im Aufstiegsmodul gelang nicht auf Anhieb. Hingegen gelangen das Rendezvous mit dem CSM und das Andocken einwandfrei. Nach dem Umsteigen der Astronauten wurde das Aufstiegstriebwerk erneut gezündet und die Aufstiegsstufe in eine Sonnenumlaufbahn gebracht, in der sie sich bis heute befindet, während die Abstiegsstufe zunächst im Mondorbit blieb und später an einem unbekannten Ort abstürzte.

31 Mondumkreisungen und 19 Fernseh-Live-Übertragungen (erstmals in Farbe) wurden während dieser Mission durchgeführt.

Die Wasserung erfolgte 5,4 Kilometer vom Bergungsschiff entfernt. Beim Wiedereintritt am 26. Mai 1969 erreichte die Landekapsel eine Geschwindigkeit von 39.897 km/h. Dies ist nach wie vor die höchste Geschwindigkeit, die von Menschen je erreicht wurde. Die Bergung erfolgte durch den Flugzeugträger USS Princeton.