Mặc dù các thành công bởi cả Hoa Kỳ và Liên Xô đã đem nhiều niềm hãnh diện lớn đến cho hai quốc gia, không khí cạnh tranh của Cuộc đua vũ trụ vẫn tiếp tục cho đến khi người đầu tiên bước đi trên Mặt Trăng. Trước khi đạt được điều đó, các tàu không người lái phải thám hiểm Mặt Trăng bằng không ảnh trước và chứng tỏ là có thể hạ cánh an toàn lên đó.

Tàu thám hiểm không người lái

Theo sau thành công của Liên Xô đặt vệ tinh đầu tiên vào quỹ đạo, người Mỹ tập trung sức lực vào việc gửi một tàu thám hiểm lên Mặt Trăng. Họ gọi cố gắng đầu tiên là Chương trình Pioneer. Chương trình thám hiểm Mặt Trăng của Liên Xô đi vào hoạt động với vụ phóng Luna 1 vào 4 tháng 1 năm 1959, và Luna 1 trở thành tàu thám hiểm đầu tiên đạt đến vùng lân cận của Mặt Trăng. Tàu đầu tiên hạ cánh lên bề mặt Mặt Trăng là Luna 2, phóng lên vào 12 tháng 9 năm 1959. Thêm vào chương trình Pioneer, có thêm 3 chương trình của Mỹ: chương trình Ranger, chương trình Lunar Orbiter và chương trình Surveyor với các robot tự động, với mục tiêu những địa điểm hạ cánh cho Apollo trên Mặt Trăng.

Hạ cánh lên Mặt Trăng

Phi hành đoàn trên Apollo 11 đổ bộ xuống Mặt Trăng năm 1969

Sau các thành công của Liên Xô, đặc biệt là chuyến bay của Gagarin, Tổng thống Hoa Kỳ John F. Kennedy và Phó tổng thống Lyndon B. Johnson đi tìm một chương trình của Mỹ có thể thu hút được trí tưởng tượng của dân chúng. Chương trình Apollo đạt được tất cả những mục đích này và sẽ thỏa mãn được các nhà chính trị cánh tả (thường ủng hộ các chương trình xã hội) và cánh hữu (ủng hộ các chương trình quân sự). Lợi thế của chương trình Apollo:

• lợi ích kinh tế cho một số tiểu bang quan trọng trong bầu cử kế tiếp;
• đóng lại "khoảng cách tên lửa" tuyên bố bởi Kennedy trong bầu cử 1960 thông qua tính hai mặt của ứng dụng kỹ thuật;
• các lợi ích khoa học kỹ thuật phát sinh từ chương trình.

Trong một cuộc nói chuyện với giám đốc của NASA lúc đó là James E. Webb, Kennedy nói:

Tất cả những gì chúng ta làm phải liên quan chặt chẽ tới việc đi tới Mặt Trăng trước người Nga... nếu không chúng ta không nên tiêu mất số tiền đó, bởi vì tôi không hứng thú với vũ trụ... Lý lẽ duy nhất (cho khoản chi phí) là bởi chúng ta hy vọng đánh bại Liên Xô để chứng minh rằng thay vì ở sau họ vài năm, nhờ Chúa, chúng ta đã vượt qua họ.[5]

Kennedy và Johnson đã thành công trong việc tranh thủ công chúng: Tới năm 1965, 58% người Mỹ ủng hộ Apollo, tăng từ 33% trong năm 1963. Sau khi Johnson trở thành Tổng thống vào năm 1963, các ủng hộ của ông ta giúp cho chương trình thành công.

Liên Xô tỏ vẻ mập mờ về các chuyến bay có người lái lên Mặt Trăng. Khrushchyov chẳng muốn "thất bại" bởi siêu cường khác, nhưng cũng không muốn tiêu tốn quá nhiều tiền cho một dự án như vậy. Vào tháng 10 năm 1963 ông nói Liên Xô "vào thời điểm hiện tại không dự định đưa phi hành gia lên Mặt Trăng", trong khi thêm rằng họ vẫn chưa muốn chịu thua trong cuộc đua vũ trụ. Một năm trôi qua trước khi Liên Xô thử một vụ hạ cánh xuống Mặt Trăng.

Vào tháng 12 năm 1968, Hoa Kỳ lại dẫn đầu trong Cuộc đua vũ trụ khi James Lovell, Frank Borman và Bill Anders bay vòng quanh Mặt Trăng. Họ trở thành những người đầu tiên ăn mừng Giáng sinh trong không gian và vài ngày sau đó hạ cánh an toàn.

Tên lửa Soyuz của Liên Xô trở thành phương tiện đầu tiên vận chuyển lên quỹ đạo Trái Đất

Kennedy đề nghị các chương trình hợp tác, chẳng hạn như hạ cánh xuống Mặt Trăng bởi phi hành gia Mỹ và Liên Xô và cải tiến các vệ tinh theo dõi thời tiết. Khrushchyov, nhận thấy đó là cố gắng đoạt lấy kỹ thuật vũ trụ của Nga, đã từ chối những ý tưởng đó. Sergey Pavlovich Korolyov, công trình sư trưởng của Cơ quan vũ trụ Nga, người thiết kế tên lửa R-7 đã đưa Sputnik vào quỹ đạo, bắt đầu cổ vũ cho tàu Soyuz và hệ thống tên lửa phóng N1 có khả năng đưa người lên Mặt Trăng. Khrushchyov ra lệnh cho cơ quan của Korolyov trước tiên là đi xa hơn nữa vào không gian bằng cách cải tiến kỹ thuật của Vostok, trong khi một đội thứ hai bắt đầu việc thiết kế một tên lửa và một tàu vũ trụ hoàn toàn mới, tên lửa đẩy Proton và tàu vũ trụ Zond, cho các chuyến bay quanh Mặt Trăng có người lái vào năm 1966. Vào năm 1964 lãnh đạo mới của Liên Xô đã ủng hộ Korolyov cho các cố gắng hạ cánh lên Mặt Trăng và các dự án có người lái khác do ông lãnh đạo. Với cái chết của Korolyov và thất bại của chuyến bay Soyuz đầu tiên vào năm 1967, việc tổ chức chương trình hạ cánh lên Mặt Trăng của Liên Xô nhanh chóng lung lay. Chọn lựa đầu tiên của Korolyov cho hạ cánh lên Mặt Trăng là Vladimir Mikhailovich Komarov, nhưng với cái chết của Komorov trên tàu Soyuz 1 vào năm 1967, Yuri Alekseyevich Gagarin và Aleksei Arkhipovich Leonov trở thành các ứng cử viên chắc chắn. Tuy nhiên, với cái chết của Gagarin và các thất bại sau đó của vụ phóng tên lửa đẩy N1 vào năm 1969, các dự án hạ cánh lên Mặt Trăng ban đầu bị đình trệ sau đó bị hủy bỏ.

Trái Đất lên, 24 tháng 12 năm 1968

Trong khi các tàu thám hiểm không người lái của Liên Xô đã lên tới Mặt Trăng trước bất kì tàu nào của Hoa Kỳ, người Mỹ Neil Armstrong trở thành người đầu tiên bước trên bề mặt của Mặt Trăng vào 21 tháng 7 năm 1969, sau khi hạ cánh ngày hôm trước đó. Chỉ huy trưởng của phi vụ Apollo 11, Armstrong nhận sự trợ giúp của phi công module chỉ huy Michael Collins và phi công module Mặt Trăng Buzz Aldrin trong một sự kiện được theo dõi bởi 500 triệu người khắp thế giới. Những bình luận viên xã hội đều công nhận hạ cánh lên Mặt Trăng là một trong những khoảnh khắc định hình của thế kỉ 20, và lời của Armstrong khi đầu tiên bước lên Mặt Trăng đã được ghi vào lịch sử:"Đây là bước chân nhỏ bé của một người, nhưng là bước tiến khổng lồ của nhân loại"

Không giống như những cạnh tranh quốc tế khác, Cuộc đua vũ trụ không bắt nguồn từ các tham vọng mở rộng lãnh thổ. Sau khi hạ cánh thành công lên Mặt Trăng, Hoa Kỳ tuyên bố rõ ràng là không sở hữu một phần đất nào trên Mặt Trăng.