Dopo le prime sonde kamikaze, si passò a sonde di tipo Surveyor (predisposte per l'atteraggio non distruttivo e la messa in opera di stazioni di rilevazione dati) e a sonde di tipo Lunar Orbiter, destinate ad orbitare intorno alla Luna. Soprattuto il successo delle missioni Surveyor aprì la strada alle missioni Apollo. Infatti fu possibile stabilire che il terreno lunare era sufficietemente solido da non far affondare la strumentazione. La sonda Sureveyor VI eseguì un salto per far si che da Terra si potessero vedere gli effetti dei gas di scarico dei propulsori sul suolo lunare sempre per valutare la fattibilità delle missioni Apollo. I cinque Lunar Orbiter vennero messi in orbita tra il 1966 ed il 1967, lo scopo era quello di poter compilare una mappa ad alta definizione della superficie lunare al fine di aumentare la sicurezza degli atterraggi Apollo e, allo stesso tempo, poter ricavare più informazioni possibili. Le prime tre vennero messe in orbita equatoriale intorno alla Luna, le successive due in orbita polare, cosicchè il moto stesso di rotazione del satellite rendeva possibile vedere via via zone lunari sempre più ampie e diverse. Al contrario delle precedenti missioni in cui per le immagini si usava una telecamera, gli Orbiter fotografarono direttamente su pellicola, sucessivamente le foto venivano sviluppate e tramite uno scanner venivano inviate a terra le immagini digitali corrispondenti; questo impresse un salto di qualità nella risoluzione fotografica.
Oltre a queste mansioni i Lunar Orbiter dovevano registrare il flusso di micrometeoriti in prossimità della Luna e misurare le variazioni del campo gravitazionale al fine di poter stabilire le migliori traiettore di avvicinamento degli Apollo. Il progetto Apollo coinvolse circa 300000 persone: gli impianti di armi chiusi dopo la seconda guerra mondiale vennero convertiti in impianti di assemblaggio vettori; una filanda del Massachussets diventò un laboratorio per la realizzazione dei sistemi guida; nel Mississippi un bosco di pini fu trasformato in una base per prove di propulsione; una spiaggia della Florida nei pressi di Cape Canaveral diventò un colossale "astrodromo"; in un pascolo vicino a Houston fu realizzato il centro di controllo delle missioni e di addestramento degli astronauti; su tutti i continenti furono disposte antenne per la ricezione dei dati trasmessi dalle astronavi.
Prima dello sbarco sulla Luna degli astronauti dell'Apollo 11 vennero impiegate ben 10 missioni con varie finalità:
dapprima tre missioni restarono a terra per verificare tutti i sistemi di bordo e nell'ultima di queste si verificò una tragedia: durante un collaudo, il 27 gennaio 1967, gli astronauti Grissom, White e Chaffae, durante i controlli della fase di lancio rimasero intrappolati dalle fiamme all'interno della capsula posta in cima al vettore Saturn V. L'incendio, provocato da un corto circuito, portò, tra mille polemiche, ad un rallentamento del programma. Vennero controllati e sostituiti tutti i componenti difettosi e alla fine si lanciò il primo Apollo, il quarto, senza equipaggio, il 9 novembre 1967. La prova era mirata a controllare il vettore Saturn V e i pannelli di protezione della navicella. Dopo 8 ore e 37 minuti la navicella venne richiamata a terra e rientrò senza problemi. La stessa sorte ebbero i succesivi due Apollo 5 e 6. Con l'Apollo 7 si ebbe la prima missione dotata di equipaggio che restò però in orbita terrestre.
L'Apollo 8 fu invece la prima missione a compiere il percorso Terra-Luna- Terra effettuando ben 10 orbite attorno al nostro satellite. Con l'Apollo 9 si cominciò a provare il LEM e con l'Apollo 10 si tentò una discesa fino a 15000 metri dalla superficie. A questo punto si cominciò la ricerca di un posto ideale per l'atterraggio secondo due vincoli:
I dati fino a quel momento raccolti dagli Orbiter e dai Suveyor erano insufficienti per stabilire il luogo e le modalità dell'atterraggio. Gli errori di navigazione pervisti potevano far spostare il LEM di circa 2.5km verso nord o sud e circa 4km lungo la line est-ovest. Si doveva quindi scegliere una zona che per almeno 20km quadrati presentasse caratteristiche topografiche uniformi ed accettabili.Il 19 luglio 1969 l'Apollo 11 venne messo in orbita attorno alla Luna; le successive 28 ore furono tutte dedicate alla preparazione del distacco dal Columbia (il modulo di comando) dell'Aquila (il LEM). Il distacco avvenne secondo i programmi ma a circa 800 metri dal suolo, l'astronauta Armstrong fu costretto a disinserire il pilota automatico e pilotare a vista il modulo per cambiare il punto di atterraggio previsto a causa di una eccessiva accidentalità dello stesso. Un'inclinazione del modulo lunare di oltre 5g non avrebbe permesso, a missione ultimata, il ritorno a bordo del modulo di controllo degli astronauti. Come tutti sanno l'equipaggio dell'Apollo 11 si componeva di Collins (restato in orbita attorno alla Luna), Armstrong ed Aldrin. Armstrong fu il primo uomo a mettere piede sulla Luna. L'atteraggio avvenne nel Mare della Tranquillità e dopo 4 ore di controllo sdei sistemi di sicurezza avvenne lo sbarco. Gli astronauti lasciarono sulla superficie tutta una serie di strumenti tra cui un sismometri per la rilevazione di lunamoti o impatti meteoritici ed un specchio rivolto verso Terra atto a riflettere i raggi laser inviati da Terra al fine di misurare la distanza del sistema Terra-Luna; ciò ha permesso di verificare che questa distanza va lentamente aumentando.
La successiva missione Apollo 12 visse tre minuti di angoscia. Alcuni minuti dopo il lancio una scarica elettrica prodottasi tra il Saturn V e il suolo mandò in black-out tutti i sistemi di bordo. Fortunatamente gli astronauti ebbero la freddezza di applicare tutte le procedure di emergenza e ripristinare il controllo! Il resto della missione proceddete brillantemente e l'atterraggio avvenne a 200 metri dalla sonda Surveyor III. Sulla Luna vennero installate alcune apparecchiature tra cui:
L'Apollo 13 fu invece protagonista di una avventura terribile: durante il volo verso la Luna si sentì un sordo boato e si verificò una brusca caduta della pressione dell'ossigeno. Sembrava fosse esploso uno dei serbatoi di ossigeno posti nel vano motore; metà degli strumenti di controllo rimasero senza alimentazione. Oramai la navicella viaggiava a 3000km l'ora attratta dalla forza di gravità della Luna. Si decise di far proseguire gli astronauti verso la Luna e sfruttando un gravity-assist di riportarli verso Terra con il minimo spreco di carburante. I problemi però erano di due tipi: ristabilire il funzionamento dei giroscopi (senza i quali non si poteva mantenere una rotta precisa) e calcolare se le riserve di ossigeno fossero sufficienti. Tra i vari problemi causati dalla perdita di alimentazione ci fu quello della mancanza di riscaldamento che oltre a provocare ulteriore disagio agli astronauti impediva il funzionamento di parte della strumentazione di bordo; a tal fine si fece cambiare posizione alla navicella per creare un effetto girarrosto utile per aumentare la temperatura. Come se non bastasse a tutto ciò si aggiunse il problema del riciclaggio dell'aria. Per motivi di sicurezza gli astronauti dovettero rifugiarsi in tre all'interno del LEM predisposto per ospitare per breve periodo solo due persone. Da Terra si progettò, con i materiali a bordo del LEM dedicati alla missione, un fortunoso impianto che permise all'anidride carbonica espirata dall'equipaggio di essere depurata attraverso i purificatori all'idrossido di litio presenti sul modulo di controllo. Il ritorno fu sempre più drammatico perchè le condizioni ambientali scesero ai livelli di sopravvivavenza con una temperatura via via più bassa. Alla fine rientrarono a Terra dopo un felice ammaraggio.Il successivo Apollo 14 fu molto più fortunato e fu dedicato principalmente alla posa di cariche esplosive sulla superficie lunare. 21 vennero fatte brillare dagli astronauti (anche se solo 13 esplosero) al fine di registrare con una rete di geofoni (rivelatori di vibrazioni) la composizione dei materiali. Altri 4 proiettili esplosivi vennero posti sulla superficie e vennero fatti brillare, una volta partiti gli astronauti, da Terra. L'Apollo 15 portò in orbita per la prima volta il jeep lunare l'LRV, Lunar Roving Vehicle (veicolo lunare semovente) che permise di estendere il raggio di esplorazione degli astronauti di qualche km attorno al LEM. L'LRV fu protato sulla Luna anche dalle missioni Apollo 16 e 17 e tutte e tre erano dotati di telecamere che permisero di riprendere il decollo del LEM dalla superficie lunare (i RLV non venivano riportati a Terra).
La missione che concluse l'esplorazione umana sulla Luna fu l'Apollo 17; questa missione si avvalse anche di un geologo al fine di studiare più approfonditamente e scegliere meglio campioni di superficie lunare. Gli astronauti percorsero ben 35 km portandosi via oltre 120 chili di rocce e 9 carote (campioni cilindrici presi in profondità). Fu trovata anche una zona di suolo lunare colorata di arancione formata da materiali che ricordavano molto da vicino strutture che che accompagnano fenomeni vulcanici di segassamento chiamati fumaiole. Tranne qualche problema intestinale, questa missione fu la migliore riuscita sia dal punto di vista tecnico che scientifico.
Per quanto riguarda l'esplorazione della Luna da parte sovietica possiamo ricordare le varie sonde denominate Luna che furono 24 e tutte dedicate alla posa di laboratori di analisi del suolo lunare. Vennero lanciate tra il 1959 ed 1976. Le ultime missioni Luna si avvalsero di laboratori semoventi che potevano essere pilotati anche da Terra oppure eseguire in automatico la raccola e l'analisi di campioni di roccia lunare. Un esmpio fu il Lunakoid II che durante le notti lunari si fermava, ed il giorno si riattivava caricando le batterie alimentate da celle solari e dopo aver analizzato il terreno circostante si muoveva alla ricerca di campioni da analizzare.