阿姆斯特朗和奥尔德林爬进登月舱，检查了所有的仪器和设备。此时阿波罗11号飞到了月球背面，通讯和地面中断了。当地面指挥人员再次收到信号的时候，登月舱已经做好了分离准备。
阿波罗11号一点一点地接近月球，阿姆斯特朗和奥尔德林盯着仪表，地面人员屏住呼吸盯着电视屏幕。“分离！”命令传出后，登月舱迅速脱离哥伦比亚，向月球飞去。10000米，6000米，4000米，2000米，地面的飞行总指挥发出指令，“开始登月！”飞船由计算机导航，按照预定计划迅速下降，快到着陆点上空时，却发生了意外情况，阿姆斯特朗发现着陆点实际上是一个巨石环抱的凹洞，根本不适合降落。他当机立断改为手动操作，凭借丰富的飞行经验绕过了这个凹洞，但与此同时，燃料已经所剩无几。阿姆斯特朗紧张地操纵着飞船，着陆必须成功，否则他们将无法再次起飞，也没有人能去营救他们。几十秒后，舱内的着陆指示绿灯亮了！奥尔德林喊道：“着陆了！”阿姆斯特朗立即关闭了发动机，登月舱稳稳落在月球表面上。在地球上，千万人正守在电视机前观看直播，直到此时，大家悬着的心才放下来。
阿波罗11号成员合影，左一为阿姆斯特朗
在阿波罗11号着陆月球6小时15分钟以后，阿姆斯特朗透过窗户仔细观测了舱门外的地形，转身对奥尔德林说：“月球看上去很友好。”随即拉开了舱门，走下了扶梯。笨重的宇航服和月球微弱的吸引力，使得阿姆斯特朗步履蹒跚。奥尔德林站在舱门口看着他，指挥他一步一步走下扶梯。整整用了20分钟，阿姆斯特朗才走下了扶梯的最后一级。这时他跨出最激动人心的一步，踩到了月球上。他说：“这是一个人的一小步，却是人类的一大步。”紧接着奥尔德林也走了下来，他们试图在月球上加快脚步行走，近似失重的感觉让他们走路的姿势摇摇摆摆。
他们的脚印留在了月球上，如果没有其他人或生物来破坏，这些脚印在月球的自然环境中会保留数千年。阿姆斯特朗和奥尔德林逐渐熟悉了在月球上行走，按照任务计划他们搜集了岩石和尘土样品，拍了很多照片，还在月球上架起了三项科学实验装置，供地球上的科学家做研究之用。
经过2小时31分钟后，他们返回阿波罗11号飞船时已经筋疲力尽。吃过东西补充体力之后，立即沉沉睡去。在此期间，在110公里的高空，柯斯林独自在“哥伦比亚”中绕月飞行，等待和同伴对接。地面指挥中心下达了起飞的命令。阿姆斯特朗按下了电钮，登月舱迅速起飞，离开了月球。
