Start von Cape Canaveral (KSC); Landung 1600 km südwestlich von Honululu im Pazifik.

Der Raumflug markierte die erste bemannte Mondlandung am 20. Juli 1969 von Neil Armstrong und Buzz Aldrin. Im Mondorbit stiegen erst Buzz Aldrin und eine Stunde später (nach Hochfahren der Systeme) Neil Armstrong in die Mondlandefähre um. Nach Prüfung der Systeme und Ausklappen der Landebeine der Fähre trennten sie diese vom Mutterschiff, in dem Michael Collins verblieb und leiteten die Abstiegssequenz ein. Heikel war dann der Anflug auf das Zielgebiet im Mare Tranquillitatis. Durch geringe unbeabsichtigte Bahnänderungen beim Abkoppeln zielte der Bordcomputer auf eine Stelle etwa 4,5 Kilometer hinter dem geplanten Landegebiet. Während des Anfluges wurde die Aufmerksamkeit der Besatzung außerdem etwa 1,5 km über dem Boden mehrfach durch Alarmmeldungen des Navigationscomputers in Anspruch genommen, so dass Armstrong nicht in dem Maße auf charakteristische Merkmale der Mondlandschaft achten konnte, wie es vom Flugplan vorgesehen war. Zu der Panne kam es, nachdem das Rendezvousradar entgegen dem Flugplan zusätzlich zum Lande-Radar eingeschaltet worden war. Es überfrachtete den Computer mit Daten, wodurch dieser blockierte und sich mehrfach neu startete, was der Crew als Fehler 1201 und 1202 angezeigt wurde. Der Fehler erwies sich jedoch als unkritisch und konnte ignoriert werden.
Beim Endanflug führte der Autopilot die Fähre in einen Krater, dessen Boden mit großen Felsen bedeckt war. Neil Armstrong übernahm daraufhin die Handsteuerung der Eagle, überflog den Krater und landete auf einer ebenen Stelle 60 m weiter westlich. Das Kontaktlicht signalisierte den unmittelbar bevorstehenden Bodenkontakt (bei circa 75 cm Höhe) am 20. Juli 1969 um 20:17:39 UTC. Der Mondfährenpilot Buzz Aldrin meldete dies („Contact light“) um 20:17:40 UTC. Unmittelbar darauf erfolgte der finale Kontakt aller vier Landefüße mit dem Mondboden. Circa drei bis vier Sekunden nach den oben genannten Kontaktsignalen schaltete Armstrong das Triebwerk ab. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Fähre „Eagle“ bereits sehr sanft (mit etwa 0,52 m/s) auf dem Mond aufgesetzt.
Die zusätzlichen Manöver hatten das ohnehin knapp kalkulierte Treibstoffbudget so strapaziert, dass die Astronauten nur noch etwa 20 Sekunden Zeit gehabt hätten, um eine Entscheidung zu treffen: entweder innerhalb der nächsten 20 Sekunden zu landen oder den Anflug sofort abzubrechen. Spätere Analysen zeigten, dass der in den Tanks schwappende Treibstoff zu ungenauen Anzeigen geführt hatte, und noch mehr Reserve vorhanden war.
Am 20. Juli 1969 um 20:17:58 Uhr UTC vermeldete Neil Armstrong: „Houston, Tranquility Base here. The Eagle has landed!“ (deutsch: „Houston, hier ist der Stützpunkt 'Meer der Ruhe'. Der Adler ist gelandet!“). Das primäre Ziel war erreicht. Ab diesem Moment benutzten Neil Armstrong und Buzz Aldrin das Rufzeichen Tranquility Base.

Neil Armstrong betrat um 3 Uhr 56 Minuten 20 Sekunden (MEZ) als erster Mensch die Mondoberfläche. Seine ersten Worte auf der Mondoberfläche waren: „That's one small step for (a) man, one giant leap for mankind!“ (deutsch: „Das ist ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein großer Sprung für die Menschheit!“). Dieses Ereignis wurde sowohl von Buzz Aldrin aus dem Fenster der Mondfähre als auch von einer Fernsehkamera am Fuß der Landefähre gefilmt. Etwa 600 Millionen Fernsehzuschauer auf der Erde erlebten die Live-Übertragung. Sein Aufenthalt dort betrug 2h 32m. Zusammen mit Buzz Aldrin, der 13 Minuten später den Mond betrat, sammelte er Staub und Gesteinsproben (21,55 kg). Ein Sonnenwindsegel wurde aufgestellt und später wieder geborgen, sowie eine wissenschaftlichen Station (EASEP) aufgestellt. Dazu gehörten ein passives seismisches Experiment und eine Art Mondspiegel, der von der Erde ausgesandte Laserstrahlen zurückreflektierte. Schließlich führten die Astronauten ein Telefongespräch mit US-Präsident Richard Nixon während des Mondaufenthaltes, nachdem sie auch die US-Flagge aufgestellt hatte. Der Gesamtaufenthalt auf der Mondoberfläche betrug 21h 36m.

Nach einer Ruhepause erfolgte der problemlose Rückstart der Mondfähre Eagle zum Mutterschiff Columbia mit Michael Collins an Bord, der während der Zeit nicht allzu viel zu tun hatte.

Bergungsschiff war diesmal die USS Hornet. Die Astronauten wurden mit einem Hubschrauber an Bord des Flugzeugträgers gebracht und standen anschließend für 17 Tage unter Quarantäne.