着陆：“鹰号”的登月舱有上下俩部分；鹰号下降级是提供下降需要的发动机，燃料，设备，同时也是离月时的发射平台。为了减轻重量，所有上升，返回地球不需要的设备，都留在下降级上或月球上了。离月时，只有上升级离开。“哥伦比亚号”指令舱留在绕月轨道上，也是三人回地球的飞船。
阿波罗11号的登陆点在宁静海南部，在Sabine D环型山西南20千米处。这个登陆点被选择的原因是它比较平整(来自于游骑兵8号、测量员5号以及月球轨道器提供的信息），也就不会在降落和舱外活动时制造太多困难。登陆之后，阿姆斯特朗把登陆点称做“静海基地”。
7月20日18:11UTC，当飞船在月球背面时，呼号为“鹰号”的登月舱从呼号为“哥伦比亚号”的指令舱中分离。科林斯独自一人留在“哥伦比亚”上，在鹰号绕垂直轴旋转时仔仔细细地检查了一遍，以确保这个飞行器一切正常。检查过后，科林斯做了一个简单的告别手势——“两位多加保重”——便离开了。科林斯的任务是留在指令舱中并绕月球环行，在以后的24个小时中只能监测控制中心与鹰号之间的通讯并祈祷登月一切顺利。如果鹰号发生了意外并且不能够从月面起飞的话(可能性极大)，科林斯就只能独自一人返回地球。
很快，阿姆斯特朗和奥尔德林启动了鹰号的推进器并开始下降。他们很快意识到它“飞过头”了：他们向月面降落时，表明计算机过载的警报器开始响起。鹰号在下降弹道中多飞了4秒，也就是说登月点会离计划西面若干千米远。导航计算机出现了若干次异常的程序警报。在休斯顿的约翰逊太空中心，飞行控制指挥官史蒂夫·贝尔斯（Steve Bales）面临着一个关键的、一刹那间的抉择——终止登月计划(这也意味着终止整个飞行计划，因为飞行器上的燃料仅够进行一次尝试)，或者命令宇航员按照计划行动，不要理会登月舱计算机出现的问题。贝尔斯后来承认，他是“凭着直觉”允许阿姆斯特朗尝试登月的。重新开始注意窗外之后，阿姆斯特朗发现他们正处在一块岩石和一片硬地之间。计算机失灵导致他们飞过了预选着陆区，而燃料也很快就要耗尽了。此时，阿姆斯特朗选择了手动控制登月舱。登月舱不断下降，燃料开始耗尽——登月舱位于月面上空大约9米，所剩燃料仅够用30秒钟——阿姆斯特朗在遍布砾石和陨石坑的月面冷静地找到一处适合于着陆的地方，并驾驶登月舱稳稳地降落在月球上。准确的登陆时间是1969年7月20日下午4时17分43秒(休斯顿时间)。
阿姆斯特朗和奥尔德林互相看了一眼，会心地笑了。休斯顿飞行控制中心内鸦雀无声，大家都在静静地等待着。终于，他们听到了阿姆斯特朗的声音：“休斯顿，这里是静海基地。‘鹰’着陆成功。”飞行控制中心顿时爆发出一阵热烈的欢呼声。在登月舱里，阿姆斯特朗和奥尔德林把手伸过仪表盘，默默地握了一下。
登月过程中的程序警报是“执行溢出”，意味着导航计算机无法在规定时间内完成预定任务。后来发现，溢出的原因是登月舱的对接雷达在降落时没有关闭，使计算机仍然监视并不在使用的雷达。由于在紧急关头的一句“继续”，史蒂夫·贝尔斯后来获得了一枚总统自由勋章。
月面上升与返回地球
奥尔德林先爬进了登月舱，之后两名宇航员一起用一种叫做月面器材传送带的扁平索滑轮装置费力的将拍摄的胶片和2个装有21.55千克月面样本的盒子运进登月舱。阿姆斯特朗随后跳上爬梯的第三级，并爬进了登月舱。为了减轻登月舱上升级的重量以返回绕月轨道，两名宇航员在转换到登月舱上的生命保障系统后，开始将宇航服上的PLSS（便携式生命保障系统）背包、月面套鞋、相机和其他一些设备抛弃在月面上。之后他们重新对登月舱加压，接着就去睡觉了。
在进入客舱时，奥尔德林的背包意外中损坏了解除上升级主发动机保险的开关，最初人们担心没有这个开关将无法点燃发动机，以至于把宇航员们困在月球上无法返回。幸运的是这个开关用一个太空笔就可以打开，如果不是这样，宇航员们就得重新设置登月舱的电路以点燃上升级发动机。
在休息了约7个小时以后，指挥中心叫醒了两名宇航员并指示他们进行回航准备。又过了两个半小时，UTC17：54时，他们乘坐鹰号上升级离开月面返回绕月轨道与指令仓哥伦比亚号上的指令仓驾驶员迈克尔·柯林斯会合，随他们返回的还有21.55千克的月面样本。
