Inizia nel 1961 con l'invio di sonde Ranger (vennero inviate 9 Ranger dei quali solo gli ultimi 3 riuscirono a compiere la missione). Erano programmate per andare a schiantarsi sulla superficie lunare in punti diversi e riprendere il maggior numero di immagini possibili. Dopo le prime sonde kamikaze, si passò a sonde di tipo Surveyor (predisposte per l'atterraggio 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.
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. 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 (modulo di atterraggio) e con l'Apollo 10 si tentò una discesa fino a 15.000 metri dalla superficie.
Il 19 luglio 1969 l'Apollo 11 venne messo in orbita attorno alla Luna. Armstrong fu il primo uomo a mettere piede sulla Luna. L'atterraggio avvenne nel Mare della Tranquillità. Gli astronauti lasciarono sulla superficie tutta una serie di strumenti tra cui un sismometro per la rilevazione di lunamoti o per 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.