Программа Аполлон стала третьим из пилотируемых проектов NASA. Поначалу программу одобрил президент Эйзенхауэр, и тогда это было лишь продолжение программы Меркурий, в которой одноместные космические аппараты должны были быть заменены трехместными. В результате логичным продолжением Меркурия стала программа Джемини с ее двухместными аппаратами. 25 мая 1961 года президент Кеннеди в обращении к Конгрессу объявил о плане к концу десятилетия высадиться на Луне, так что вся программа, начатая в этом же году, в основном связывается с именем этого президента. Программа была чрезвычайно успешной. Несмотря на трагедию, произошедшую с Аполлоном-1 и повлекшую смерть экипажа при тренировке, всего на поверхности Луны высадилось 12 человек, ее реализация заняла 11 лет. Всего было проведено шесть высадок. Три полета были отменены из-за сокращения бюджета, а один прекращен из-за взрыва баллона с кислородом, в результате которого астронавты вернулись на Землю. Параллельно осуществлялись полеты программы Джемни, при реализации которых отрабатывались некоторые технологии, необходимые для полетов на Луну. При реализации программы, как водится на заре освоения космического пространства, было поставлено несколько важнейших рекордов. Первый полет к Луне стал пока и самым далеким для человечества. Шесть экипажей, высаживавшихся на поверхности нашего спутника, привезли на Землю 382 килограмма образцов лунного реголита – намного больше, чем возвращаемые автоматические аппараты программы Луна. Необходимость в сложнейших технологиях и надежности, вызванные полетом человека к Луне, заложили основу технических достижений NASA, используемых до сих в пилотируемой программе США. Для реализации программы Аполлон были построены Космические центры Джонсона и Кеннеди.

Для реализации цели, поставленной президентом – высадки на Луне – было рассмотрено несколько вариантов. К Луне мог полететь единственный аппарат, который должен был сесть на ее поверхности, а обратно отправиться лишь частично. В самом начале реализации проекта этот план был приоритетным благодаря его максимальной простоте. Не то что стыковка, а даже встреча двух космических аппаратов на орбите в то время были вершиной технического прогресса в освоении космоса, и от этих сложных задач хотелось отказаться. Однако отказаться пришлось от этого плана из-за очень большой полезной нагрузки на Земле, которую не могли вывести в космос имевшиеся ракеты. Второй вариант был противоположным. С Земли должны были отправиться несколько (до 15) ракет, несущих отдельные части космического аппарата, который затем должен был быть собран на орбите. Стоит ли говорить, что это было слишком сложно, ведь МКС  находится на орбите уже 15 лет, и до сих пор достраивается с участием всех ведущих космических держав. Ближе к выбранному плану был запуск двух космических аппаратов. Первый должен был везти практически только топливо, и должен был сесть с ним на Луну в автоматическом режиме. За ним должен был последовать пилотируемый аппарат, который после посадки на Луне смог бы пополнить запас топлива и вернуться на Землю. Этот план был формально одобрен в июле 1962 года. Важнейшую роль в этом выборе сыграл инженер Центра имени Ленгли Джон Губольт, который в обход иерархии NASA не переставая посылал письма и отчеты заместителю директора агентства. Последний в результате собрал совещание, которое в первую очередь было посвящено выбору ракеты-носителя, и на котором стало очевидно, что один, неразделяемый, космический аппарат послать не удастся.

Работы по проектированию модульного трехместного аппарата, тем не менее, были начаты еще в 1960 году. Это была работа над созданием универсального основного командного модуля, вмещающего троих астронавтов, и нескольких дополнительных модулей – двигательного отсека, батарей и т.д. Аппарат, в зависимости от компоновки, должен был решать различные задачи – снабжать и строить будущую орбитальную станцию, летать к Луне, садиться на ее поверхность. После того, как посадка на Луну из этих задач стала приоритетной, началась разработка командного модуля, в котором предполагалось провести все время полета. После выбора способа высадки этот модуль остался командным, и все время должен был управляться астронавтом. Один из них при прибытии к Луне оставался на орбите, тогда как двое других в спускаемом аппарате – лунном модуле – должны были прогуляться по поверхности планеты.

Командный модуль представлял собой коническую кабину, в которой астронавты должны были проделать весь путь. Это единственный компонент космического корабля, который не претерпел значительных изменений в ходе реализации проекта. Снаружи модуль был покрыт тепловой защитой, он имел собственную двигательную установку для управления ориентацией, чтобы можно было подправлять траекторию спуска за счет аэродинамического момента. Модуль был оборудован парашютами, обеспечивавшими его приводнение. Масса модуль составляла 4460 килограмм, длина – 3.48 метра, диаметр – 3.91 метра.

К командному модулю стыковался сервисный модуль. Он был ответственен за коррекцию траектории аппарата, а также обеспечивал командный модуль энергией и кислородом. Антенна дальней космической  связи также была установлена в сервисном модуле. В длительных полетах в нем размещался набор научных инструментов. Он отсоединялся прямо перед входом в атмосферу. Длина модуля составляла 7.5 метра, масса – 23 тонны без научной аппаратуры и 24 с ней.

Лунный модуль должен был обеспечивать посадку двух астронавтов на Луну, взлет и стыковку с командным модулем для возвращения на Землю. Сам этот модуль не возвращался на Землю, поэтому его корпус был намного легче благодаря отсутствию тепловой защиты. Модуль делился на две части – для спуска и для подъема. Спускаемая часть хранила топливо для спуска, системы жизнеобеспечения астронавтов на поверхности Луны и научную аппаратуру. Возвращаемая часть имела практически только топливо для возвращения на орбиту, маневрирования и управления ориентацией. Первый вариант лунного модуля весил 15 тонн и позволял находиться на поверхности Луны 34 часа, модернизированный модуль весил 16.4 тонны, но в нем астронавты могли оставаться на поверхности до трех суток.

Для запуска космических кораблей использовались ракеты-носители Сатурн, разработанные под началом Вернера фон Брауна, в то время директора Центра космических полетов имени Маршалла. Ему же было поручено проектирование еще более тяжелых носителей Нова, однако после выбора способа реализации полета на Луну появилась возможность сконцентрироваться на Сатурне, первой тяжелой ракете США. Были построены три варианта ракеты – I, IB и V, которая и использовалась в проекте, тогда как первые два только тестировались. Максимальная полезная нагрузка, которую Сатурн 5 мог вывести на орбиту около Земли для последующего перелета к Луне – 47 тонн. Третья ступень ракеты использовалась как разгонный блок – она могла повторно запускать двигатели после выхода на переходную орбиту, чтобы отправить космический аппарат к Луне.

Реализация программы привела к одной катастрофе. В 1967 году проводились тесты в Центре имени Кеннеди, при которых астронавты должны были отработать запуск. Они сами предложили назвать эти тесты Аполлоном-1 для усиления мотивации. 27 января трое астронавтов проводили переключение тестовой кабины корабля на внутреннее питание. Тестирование сопровождалось проблемами с самого начала: в скафандрах был странный запах, внутри корабля возникли проблемы со связью, из-за которых пришлось отложить переход на внутреннее питание. Во время этой задержки в кабине начался пожар, который очень быстро распространился в кислородной атмосфере американского корабля. Высокое давление кислородной атмосферы к тому же привело к взрыву, не оставив шансов на спасение астронавтов. Расследование выявило комплексные проблемы в конструкции аппарата, учет которых привел к окончательному виду Аполлона.