Start von Cape Canaveral (KSC); Landung 735 km südöstlich der Pogo-Pogo-Inseln im Pazifik.

Apollo 12 startete am 14. November 1969 um 16:22 UTC, während eines Gewitters. Das Raumfahrzeug wurde während des Starts zweimal von Blitzschlägen getroffen. Die Einschläge 36,5 und 52 Sekunden nach dem Start wurden vermutlich durch einen elektrisch leitfähigen Kanal aus ionisiertem Gas hervorgerufen, dem Abgasstrahl der Rakete. Resultat war der zeitweise Ausfall der meisten elektrischen Systeme im Apollo-Raumschiff, die sich jedoch im Orbit problemlos reaktivieren ließen. Bis auf den Verlust von neun unwesentlichen Telemetriesensoren verlief der Start dennoch plangemäß. Nach einem Check-out konnte die S-IVB-Stufe für den dreieinhalbtägigen Flug zum Mond erfolgreich gezündet werden. Früher als geplant stiegen Charles Conrad und Alan Bean durch den Tunnel in die Mondfähre und untersuchten gewissenhaft, ob die Blitzschläge beim Start irgendwelche Schäden an Intrepid hinterlassen hatten.

Die Mission markierte das zweite bemannte Mondlandeunternehmen. Für Apollo 12 wurde ein Landeort bei 3 Grad 11 Minuten und 51 Sekunden südlicher Breite und 23 Grad 23 Minuten und 8 Sekunden westlicher Länge im Oceanus Procellarum festgelegt. Der Landeplatz wurde so gewählt, dass es möglich war, Experimentergebnisse von der am 20. April 1967 auf dem Mond gelandeten Raumsonde Surveyor 3 abzuholen. Charles Conrad und Alan Bean landeten die Mondfähre am 19. November 1969 um 06:54 UTC nur 163 Meter entfernt von dieser Sonde. Charles Conrad konnte das Apollo-Raumschiff mit bloßem Auge erkennen, als es bei der nächsten Mondumkreisung über die Landestelle flog. Ebenso konnte Richard Gordon aus dem Mutterschiff bei der folgenden Umkreisung sowohl Surveyor 3 als auch Intrepid sichten. Die Entfernung betrug ca. 110 km.

Nach der Landung im Meer der Stürme erfolgten wissenschaftliche Arbeiten von Charles Conrad und Alan Bean auf dem Mond. Als Charles Conrad den Mond betrat, sagte er: „Whoopie! Man, that may have been a small one for Neil, but that's a long one for me.“ (etwa: „Hoppsa! Mensch, das war vielleicht ein kleiner für Neil, aber für mich ist das ein großer!“). Damit spielte er auf seine kleine Körperstatur an. Außerdem soll der Spruch Gegenstand einer Wette mit der italienischen Journalistin Oriana Fallaci gewesen sein. Charles Conrad hatte behauptet, dass die NASA den Astronauten keine Vorschriften mache, was beim Betreten des Mondes zu sagen sei, und so hatte er sich mit ihr auf diese Worte geeinigt. Die erste EVA erfolgte am 19. November 1969 (3h 56m) in der eine S-Band-Antenne, ein Sonnenwind-Experiment und die amerikanische Flagge aufgestellt wurden. Das wichtigste Experiment war jedoch das ALSEP-Experiment mit einem atombetriebenen Reaktor. Erstmals wurde auch eine Farb-TV-Kamera mitgeführt, die allerdings beim Aufstellen von Alan Bean direkt in die Sonne gerichtet wurde. Dies führte zur sofortigen Zerstörung der Bildaufnahmeröhre der Kamera und machte TV-Übertragungen vom Beginn der Mission an unmöglich.

Die zweite EVA erfolgte am 20. November 1969 (3h 49m) bei der Mondgestein und -material gesammelt wurde und fotografische Arbeiten erledigt wurden. Die Astronauten führten dann einen Besuch der am 20. April 1967 im Meer der Stürme gelandeten, unbemannten Sonde Surveyor 3 durch, von der Teile abmontiert und wieder mit zur Erde genommen wurden. Bei der labortechnischen Untersuchung der Kamera der Surveyor-3-Sonde konnte der Mikrobiologe Frederick Mitchell feststellen, dass in der Isolierung der Kamera getrocknete Bakterien (Streptococcus mitus) mit zum Mond gereist waren. Man vermutet, dass sie von einem erkälteten Monteur der Sonde dort hinterlassen wurden. Die Bakterien konnten im Brutschrank wieder keimen und gelten als Hinweis für mögliche Überlebensfähigkeit im Weltraum (siehe Panspermie).

Insgesamt wurden ca. 34,4 kg Mondgestein und anderes Material eingesammelt. Neben der nicht mehr benötigten Ausrüstung ließen die Astronauten versehentlich auch mehrere Magazine mit belichteten Filmen zurück, darunter alle Farbaufnahmen der zweiten EVA.

Nach 31,5 Stunden Aufenthalt auf dem Mond erfolgte der Rückstart zum Mutterschiff Yankee Clipper (mit Richard Gordon an Bord) in der Mondumlaufbahn. Mehrere Kurskorrekturen waren notwendig, bis Intrepid an Yankee Clipper ankoppeln konnte. Nach dem Umsteigen wurde die Mondfähre abgekoppelt und gezielt auf Kollisionskurs mit dem Mond gebracht. Intrepid schlug mit etwa 1,5 km/s Geschwindigkeit etwa 72 km entfernt vom Seismometer auf. Die Daten des folgenden Mondbebens wurden vom ALSEP direkt an die Erde gefunkt. Richard Gordon hatte während seiner Zeit allein im Mutterschiff Fotografien mit einer Multispektralkamera gemacht und dabei mögliche zukünftige Landeplätze beobachtet.

Nach der Wasserung wurden die Astronauten vom Bergungsschiff USS Hornet aufgenommen.