13h11mn53s : Eagle, le module lunaire dans lequel se sont installés Armstrong et Aldrin se sépare du module de commande Columbia alors qu'ils se trouvent derrière la Lune. Collins reste en orbite dans Columbia. Environ deux heures après la séparation, Eagle est en vue du site d'atterrissage dans la mer de la Tranquillité. Mais, à 1830 mètres d'altitude, l'ordinateur de bord fait savoir par un voyant lumineux qu'il est saturé par les calculs à effectuer. Deux nouvelles alertes de ce type interviennent quelques secondes plus tard, à 1000 mètres et à 600 mètres d'altitude, mais sans conséquence.
Une autre inquiétude envahit les deux astronautes alors qu'à l'altitude de 400 mètres ils jettent un coup d'oeil sur la surface lunaire par les deux fenêtres triangulaires. La zone d'atterrissage a été dépassée de près de sept kilomètres par suite d'une erreur de navigation. Le pilote automatique les amène maintenant au-dessus d'un cratère grand comme un terrain de football avec des roches qu'il faut éviter. Un autre danger apparaît : la panne de carburant. La réserve ne leur permet plus désormais qu'une minute de vol. A Houston, on enregistre les battements de coeur d'Armstrong. Ils sont rapidement passés de 77 à 156 pulsations à la minute. Armstrong décide alors de prendre Eagle en pilotage manuel. La tension est à son comble, surtout à Houston. A bord, Aldrin est prêt à appuyer sur le bouton sur lequel est indiqué "annulation phase" et qui déclencherait le largage de la partie inférieure du module et la remontée avec l'étage ascensionnel. Autrement dit, l'impensable.

15h17mn42s ou 21h17mn42s (heure française) : Il ne reste plus que 16 secondes de carburant. Les quatre jambes du module lunaire touchent le sol lunaire. : D'une voix calme, Armstrong annonce à la Terre : "Houston, ici la base de la Tranquillité ... L'Aigle a atterri." Par les hublots, les deux astronautes ne voient que la poussière soulevée par le jet propulsif du moteur de descente et qui retombe lentement sous l'action de la faible pesanteur. Quelques mètres carrés de sol lunaire apparaissent peu à peu, justifiant l'appellation de "magnifique désolation" donnée par Buzz Aldrin. A plus de 380 000 kilomètres de là, dans la salle de contrôle de Houston, un tonnerre d'applaudissements fait place à l'anxiété des secondes passées. On se congratule et pour célébrer l'événement, les techniciens mettent un pin's bleu à leur boutonnière.
Pour les responsables et les sans grade, ce jour est un jour de fierté. La première partie du défi de Kennedy est gagné. Pour eux comme pour d'autres à Washington, c'est enfin la grande victoire sur l'Union soviétique obtenue après plus de huit années d'effort. Par la télévision, l’exploit est connu dans le monde entier. Six cent millions de personnes assistent à la réalisation de cette page de l'histoire de l'humanité. Quelques pays communistes dont l'Union soviétique et la Chine n'ont toutefois pas jugé nécessaire de relater l'événement. La télévision soviétique ne diffuse pas publiquement les images, mais une centaine de dirigeants soviétiques, y compris Brejnev, rassemblés dans un abri souterrain secret, assistent par télévision interposée au succès américain. La Pravda mentionnera cependant l'événement, mais dans un très court article. Ce magnifique succès est toutefois entaché d'une incertitude. Si le module s'est bien posé dans la mer de la Tranquillité, sa position exacte ne peut être identifiée. C'est un détail.

17h : Armstrong propose à Houston d'effectuer la sortie sur le sol lunaire plus tôt que prévu.

21h39mn33s ou 3h39mn33s (heure française) : Cinq heures avant l'heure prévue, Armstrong ouvre la porte du module et commence à descendre l'échelle fixée sur l'une des quatre jambes. Puis, il s'arrête sur le second barreau pour déployer la caméra de télévision qui doit filmer l'instant historique.

21h56mn15s : Après un petit saut du dernier barreau de l'échelle, Armstrong pose son pied gauche sur le sol lunaire qui s'enfonce de quelques millimètres dans la poussière. Il lance alors pour la postérité : "C'est un petit pas pour l'homme, un bond de géant pour l'humanité".

22h11mn : Aldrin sort à son tour du module lunaire. Il est photographié par Armstrong, puis, ensemble, ils dévoilent une plaque fixée sur l'une des jambes du module lunaire et sur laquelle est inscrit : "Ici des hommes de la planète Terre ont posé le premier pied sur la Lune - juillet 1969. Nous sommes venus en paix au nom de l'humanité." Quelques minutes plus tard, un drapeau américain est déployé. Le choix d'Armstrong par la NASA n'était pas anodin. Non seulement il est un excellent astronaute mais, de plus, c’est un civil. Ce qui confirme au monde entier la volonté américaine de "conquérir" pacifiquement la Lune.
Quant au déploiement du drapeau américain, il pouvait paraître en contradiction avec le traité de l'espace de 1967 interdisant à tout pays une quelconque revendication nationale de la Lune ; les Américains d'ailleurs ne le demandaient pas. Le drapeau des Nations-Unies eut sans doute été plus adapté. Mais pouvait-on reprocher aux Etats-Unis qui avaient fait un effort gigantesque pendant huit années d'abandonner au moment crucial leurs couleurs au profit d'autres ? Pendant 151 minutes, Armstrong et Aldrin restent sur le sol lunaire sans s'éloigner de plus d'une vingtaine de mètres de leur vaisseau. Ils déploient un réflecteur laser destiné à mesurer la distance Terre-Lune, un dispositif servant à collecter les particules constituant le vent solaire et un sismomètre. Ils collectent aussi 21 kg de cailloux lunaires. Enfin, ils déposent dans la poussière lunaire une plaque à la mémoire des cinq astronautes américains et soviétiques morts dans l'aventure spatiale : Grissom, White et Chaffee pour Apollo 1, Komarov pour Soyouz 1 et Gagarine qui s'était tué en avion l'année précédente.