1967 年4月5日，阿波罗1号调查报告被公布的当天，阿姆斯特朗和其他十七名宇航员与迪克斯雷顿开会。斯雷顿首先宣布：首次登月的宇航员人选将从这间屋子里产生。尤金塞尔南后来回忆，阿姆斯特朗对这句话没有什么反应。对于阿姆斯特朗，这句话并不意外当时在场的宇航员都参加了双子星计划，首次登月的人选只能从他们之中挑选。阿波罗11号成员合影。左起：尼尔阿姆斯特朗、迈克尔柯林斯、巴兹奥尔德林。
阿波罗8号环绕月球后，1968年12月23日，迪克斯雷顿安排阿姆斯特朗担任阿波罗11号的指令长，登月舱驾驶员是巴兹奥尔德林，指令舱驾驶员是迈克尔科林斯。这三位宇航员接下来成为了首批飞往月球的人。装载着阿波罗11号的土星5号火箭于当地时间1969年7月16日9时32分在肯尼迪航天中心发射升空，12分钟后进入地球轨道。环绕地球一圈半后，第三级子火箭点火，航天器开始向月球航行。
阿波罗11号于7月19日经过月球背面，很快点燃了主火箭并进入了月球轨道。在环绕月球的过程中，三名宇航员在空中辨认出了计划中的登月点。计划中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，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。登陆舱鹰号的开始下降之后，他们很快意识到它飞过头了：他们向月面降落时，表明电脑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。由于相对宽松的降落要求，阿姆斯特朗对登月的具体地点也不是特别在意。之前的试飞员生涯使他明白只要仪器还在正常工作，探测器还在获得数据，就没有必要放弃任务。阿姆斯特朗选择了手动控制登月舱，此时，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。即将踏上月球的阿姆斯特朗7 月21日2点56分，鹰号降落六个半小时后，阿姆斯特朗扶着登月舱的阶梯踏上了月球，说道：这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步。 阿波罗11号任务后不久，阿姆斯特朗宣布他不会再次进入太空。在高级研究办公室担任副主任十三个月后，1971年8月，他从航空航天局辞职，在辛辛纳提大学工程系担任教授。