Sau khi xác định Mặt Trăng như là một mục tiêu, những nhà phác thảo chương trình Apollo phải đối mặt với thách thức của việc đưa ra một tập hợp các chuyến bay để có thể đáp ứng được mục tiêu đề ra bởi Kennedy trong khiphải làm giảm tối thiểu các rủi ro về nhân mạng, giá thành, và các yêu cầu về kỹ thuật và kỹ năng của phi hành gia.

Có bốn phương án khả thi đã được đưa ra xem xét.

• Bay lên trực tiếp: Phương án này đề nghị phóng thẳng một phi thuyền trực tiếp về phía Mặt Trăng. Toàn bộ phi thuyền sẽ hạ cánh và rồi quay trở lại từ Mặt Trăng. Điều này sẽ đòi hỏi một tên lửa mạnh hơn hẳn loại tên lửa mạnh nhất được đưa ra lúc đó, tên lửa Nova.
• Gặp nhau trên Quỹ đạo Trái Đất: Phương án này, được biết đến như là Earth orbit rendezvous (EOR), sẽ đòi hỏi việc phóng lên hai tên lửa Saturn V, một chứa phi thuyền và một chứa nhiên liệu. Phi thuyền sẽ lưu lại trên quỹ đạo và được nạp vào đủ nhiên liệu để có thể bay lên đến Mặt Trăng rồi quay về. Cũng vậy, toàn bộ phi thuyền sẽ hạ xuống Mặt Trăng.
• Gặp nhau trên bề mặt Mặt Trăng: Điều này sẽ đòi hỏi hai phi thuyền sẽ được phóng lên - phi thuyền đầu tiên, được điều khiển tự động, mang theo nhiên liệu, sẽ hạ cánh trên Mặt Trăng, sẽ được theo sau đó một khoảng thời gian bởi một phi thuyền có người điều khiển. Nhiên liệu sẽ được chuyển sang cho phi thuyền có người lái trước khi nó có thể bay về lại được Trái Đất.
• Gặp nhau trên quỹ đạo Mặt Trăng: Phương án này, được chấp nhận và sử dụng, đưa ra bởi John Houbolt và sử dụng kỹ thuật gặp nhau trên quỹ đạo Mặt Trăng (Lunar Orbit Rendezvous - LOR). Phi thuyền được chia ra thành nhiều đơn vị, bao gồm một Đơn vị điều khiển (Command/Service Module - CSM) và một Đơn vị Mặt Trăng (Lunar Module - LM; ban đầu là Lunar Excursion Module - LEM). CSM chứa một hệ thống hỗ trợ cuộc sống cho một phi hành đoàn ba người trong chuyến bay năm ngày lên Mặt Trăng rồi quay về và một vỏ bảo vệ nhiệt để khi họ tái nhập vào lại khí quyển của Trái Đất. LM sẽ tách ra khỏi CSM trên quỹ đạo Mặt Trăng và mang hai phi hành gia hạ xuống bề mặt Mặt Trăng, sau đó quay trở lại CSM.

Tương phản với các phương án khác, phương án LOR đòi hỏi chỉ một phần nhỏ của phi thuyền hạ cánh trên Mặt Trăng, do đó làm giảm thiểu khối lượng được phóng từ bề mặt Mặt Trăng cho chuyến bay trở về. Khối lượng được phóng lại được giảm thiểu thêm nữa bằng cách để lại một phần của LM (phần với máy móc hạ xuống) trên bề mặt Mặt Trăng.

Đơn vị Mặt Trăng (Lunar Module) bản thân nó bao gồm một tầng hạ xuống và một tầng phóng lên, tầng dưới sẽ trở thành bệ phóng cho tầng trên khi đoàn thám hiểm Mặt Trăng quay lại quỹ đạo Mặt Trăng, nơi họ sẽ nhập lại vào với CSM trước khi quay trở lại Trái Đất. Phương án này có một thuận lợi là vì LM cuối cùng sẽ bị bỏ đi, nó có thể được làm rất nhẹ, để toàn bộ phi vụ có thể được phóng chỉ bởi một tên lửa Saturn V. Tuy nhiên, lúc LOR được quyết định, một số người phác thảo chuyến bay không thoải mái trước số lượng nhập vào và tách ra cần thiết cho phương án.

Để học các kỹ thuật hạ xuống Mặt Trăng, các phi hành gia thực tập trong Phương tiện nghiên cứu việc hạ xuống Mặt Trăng (Lunar Landing Research Vehicle - LLRV), một khí cụ bay mô phỏng (bởi một động cơ phản lực đặc biệt) trọng lực được giảm đi mà Đơn vị Mặt Trăng sẽ bay trong đó.