El 18 de junio, tres semanas antes del lanzamiento, comienza la carga de queroseno tipo RP-1 en la primera etapa del Saturno V, un trabajo que termina seis días después. El 15 de julio, ocho horas antes de la hora prevista para el lanzamiento y para evitar pérdidas por evaporacion, se procede al bombeo de oxigeno liquido (LOX) e hidrogeno liquido (LH2) en los tanques de las tres etapas del cohete. Estos últimos propelentes son almacenados a altas presiones y a bajas temperaturas, por lo que se los denomina genéricamente criogénicos.
El 16 de julio, los astronautas Neil Armstrong, Buzz Aldrin y Michael Collins, son trasladados hasta la nave para proceder a su posterior lanzamiento. Mientras tanto, el ordenador del Complejo 39 realiza las últimas comprobaciones y supervisa que todos los sistemas funcionan. El director de vuelo, Gene Kranz, verifica las recomendaciones del ordenador y consulta a los miembros de su equipo. Entonces comienza la secuencia de ignición.
Los cohetes Saturno V constaban de varias fases que se iban desprendiendo de la nave una vez consumían su combustible. Esto es lo que ocurrió durante el despegue del Apolo 11:
Cuando los cinco motores F-1 de la primera etapa se encienden, los sistemas de refrigeración se encargan de arrojar varias toneladas de agua sobre la estructura metálica del cohete para protegerla del calor. Con la enorme vibración se desprende la escarcha que recubre el cohete, producida por el efecto de las bajísimas temperaturas a las que se mantienen los propegolas dentro de los tanques.
Cuando el Saturno V alcanza el 95% de su empuje total, los cuatro ganchos que retienen el cohete saltan hacia atrás; con una ligera sacudida el cohete se despega de la plataforma y comienza a elevarse, mientras los cinco últimos brazos de la plataforma se desplazan hacia un lado para no entorpecer el lanzamiento del cohete. Para entonces los motores F-1 ya consumen quince toneladas de combustible por segundo.
A las 10:32 de la mañana en Cabo Cañaveral el Saturno V abandona la rampa de lanzamiento.
Durante la misión la tripulación establecerá contacto verbal con el centro de control en Houston, ya que una vez que el Saturno V despega, Cabo Cañaveral traspasa el control a Houston.
Ciento sesenta segundos después, los motores de cebado de la segunda etapa se ponen en marcha ya que los cinco potentes F-1 de la primera etapa han agotado su combustible y se desprenden del cohete, iniciándose la segunda etapa que consta de cinco motores J-2, cuya tarea es que el Saturno V siga ganando altura cada vez a mayor velocidad.
También se produjo la separación de la torre de escape de emergencia situada junto con la cubierta protectora del módulo de mando, ya que el Saturno V no presentaba problemas técnicos y podía continuar con su salida del campo gravitatorio terrestre.
Nueve minutos después del lanzamiento, los cinco motores J-2 de la segunda etapa se separan del resto de la nave. Después las turbo bombas de la tercera etapa envían combustible a su único motor, el mecanismo de ignición se dispara y el cohete vuelve a acelerar. Doscientos segundos después el motor se apaga y los astronautas comienzan a notar la ausencia de gravedad. El Apolo 11 está en órbita.

 

El módulo de mando y el módulo lunar permanecen unidos todavía a la tercera etapa denominada S-IV B. Según las normas de las misiones lunares, las naves Apolo deben permanecer tres horas en una órbita llamada órbita de aparcamiento a 215 km de altura. La tripulación emplea este tiempo en estibar los equipos, calibrar instrumentos y seguir las lecturas de navegación para comprobar que la trayectoria que siguen es la correcta.

En el control de misión verifican la localización de la nave, dan instrucciones a los astronautas y reciben los datos de quince estaciones de rastreo repartidas por todo el planeta, que han de estar perfectamente coordinadas.
Una vez que el Apolo 11 completa la segunda órbita a la Tierra y los astronautas terminan de realizar sus tareas, Houston da la orden para poner rumbo a la Luna. Después de orientarse de forma precisa, la tercera etapa pone en marcha su motor con las sesenta toneladas de combustible que aún permanecen en los tanques. El cohete acelera gradualmente hasta alcanzar los 45.000 km/h. Esta maniobra recibe el nombre de inyección trans-lunar, y por su dificultad es el segundo punto crítico de la misión.
Cuando se agota el combustible de la tercera etapa, comienza otra parte crítica de la misión. El módulo lunar permanece oculto bajo un carenado troncocónico entre la tercera etapa y el módulo de servicio. Hay que iniciar la maniobra de transposición y colocar al LEM delante del módulo de mando. El carenado que protege al LEM se fragmenta en cuatro paneles usando pequeños detonadores explosivos similares a los que se usan para separar las sucesivas etapas agotadas. El LEM se separa del S-IV B y tras una complicada maniobra que ejecuta la tripulación utilizando los propulsores de posición quedan los dos vehículos ensamblados. Esta maniobra dura alrededor de una hora. Después se desprende la tercera etapa y se prosigue con la misión.
El Apolo 11 realizará durante tres días la supervisión de los aparatos de navegación, correcciones de medio rumbo y comprobaciones de los diversos instrumentos. Durante dos días, el Apolo 11 va perdiendo velocidad regularmente debido a la atracción de la Tierra, y cuando llega a la gravisfera lunar, situada a las cinco sextas partes del recorrido entre la Tierra y la Luna, el vehículo, que avanza a una velocidad de 3.700 km/h, comienza de nuevo a acelerar hasta los 9.000 km/h, atraido por la gravedad lunar. El Apolo 11 se encamina a esta velocidad hacia la Luna en una trayectoria denominada trayectoria de regreso libre, la cual permite a la nave pasar orbitando por detrás de la Luna y volver a la Tierra sin que sea necesario efectuar un encendido de motor.
El cuarto punto crítico de la misión es la ejecución de una maniobra conocida como inserción en órbita lunar o LOI. La trayectoria de regreso libre es útil cuando hay problemas al efectuar la LOI. Esta maniobra se realiza en la cara oculta de la Luna cuando no hay comunicación posible con Houston y consiste en un encendido de motor para efectuar una frenada y colocarse así en órbita lunar.
Desde tres inyectores distintos, comienzan a fluir tres productos químicos distintos para mezclarse en la cámara de combustión e iniciar el frenado denominado frenado hipergólico. Estos tres productos, (hidracina, dimetilhidrazina y tetróxido de nitrógeno), se llaman hipergólicos por su tendencia a detonar siempre que se mezclan. A diferencia del combustible sólido, el combustible criogénico o el keroseno, que necesitan una chispa o fuente de calor para iniciar su ignición, el combustible hipergólico entra en ignición al mezclarse los productos entre sí, sin necesidad de energía de activación. Este combustible es empleado por el Apolo 11 para todas sus maniobras una vez ha perdido la tercera etapa que utiliza combustible criogénico (LOX y LH2).
El motor funciona durante cuatro minutos y medio, y luego se apaga automáticamente. El comandante Neil Armstrong verifica en el panel de control del módulo de mando la lectura de Delta-v que se refiere al cambio de velocidad y observa que el frenado hipergólico ha situado al Apolo 11 a una velocidad correcta para abandonar la trayectoria de regreso libre y situarse en órbita lunar. También comprueba las lecturas del pericintio; esto es, el máximo acercamiento a la superficie lunar, y el apocintio, que es el máximo alejamiento. Las lecturas indicaban que el Apolo 11 orbitaba la Luna con un pericintio de 110 km y un apocintio de 313 km. En un par de revoluciones ajustarán la órbita hasta convertirla en una circunferencia casi perfecta. Poco más de media hora después de desaparecer por el hemisferio oculto del satélite, las comunicaciones con Houston se restablecen y la tripulación confirma que el Apolo 11 se encuentra orbitando la Luna.
El transbordo de las muestras y la desconexión de parte de los sistemas del módulo Eagle, ocupa a la tripulación durante dos horas, y cuando se sitúan en sus puestos, se preparan para abandonar al Eagle en la órbita de la luna. A las 6:35 del 22 de julio encienden los motores del módulo iniciando el regreso a la Tierra. Es la maniobra denominada inyección trans-tierra, que consiste en un encendido hipergólico de dos minutos y medio y que sitúa al Columbia en una trayectoria de caída hacia la Tierra que concluirá en sesenta horas.
Durante el viaje de regreso se realizan leves correcciones de rumbo.
Houston les informa de que hay posibilidades de temporal en la zona prevista para el amerizaje y redirigen al Apolo 11 a una zona con tiempo estable, concretamente a 1.500 km al sudoeste de las islas Hawaii, donde serán recogidos en el Oceano Pacífico por los tripulantes del portaaviones USS Hornet, un veterano de la Segunda Guerra Mundial, tras efectuar 30 órbitas a la Luna.
Los equipos de recuperación se preparan para recoger a la tripulación del Apolo 11. A unos kilómetros por encima, el módulo de mando con la tripulación en él, se ha separado del módulo de servicio y se preparan para la reentrada. En esta parte de la misión no hacen falta motores de frenado puesto que es el rozamiento el que se encarga de disminuir la velocidad de la cápsula desde los 40.000 km/h iniciales a unos pocos cientos, de modo que puedan abrirse los paracaidas sin riesgo de rotura. Hay que tener en cuenta que la reentrada es un proceso en el que la inmensa energia cinetica de la cápsula se disipa en forma de calor haciendo que esta alcance una elevadísima temperatura.
Por efecto de esta elevada temperatura, se forma una pantalla de aire ionizado que interrumpe totalmente las comunicaciones con la nave. Ésta se precipita como un meteoro sobre la atmósfera terrestre alcanzando temperaturas de 3000 °C.
Unos minutos después de la pérdida de cominaciones, se reciben en Houston las primeras señales procedentes de la nave. A ocho kilómetros se abren los dos primeros paracaídas para estabilizar el descenso. A tres kilómetros, estos son reemplazados por tres paracaidas piloto y los tres paracaídas principales de veinticinco metros de diámetro. Por fin consiguen amerizar a las 18:50 del 24 de julio, exactamente 8 días, 3 horas, 18 minutos y 35 segundos después de que el Saturno V abandonó la rampa del Complejo 39.