Ngày 16/7/1969, cùng với Edwin E. Aldrin Jr. và Michael Collins trên con tàu vũ trụ Apollo-11, ông đã thực hiện chuyến bay tới Mặt Trăng và bốn ngày sau đỗ xuống Mặt Trăng trên một cánh đồng gần mép Tây Nam của biển Yên Tĩnh. Bước ra khỏi con tàu và đặt chân lên lớp bụi bề mặt, Mặt Trăng, ông đã có một câu nói nổi tiếng : “That’s one small step for a man, one grant leap of mankind” (Đây là một bước đi nhỏ của một con người, nhưng là một bước nhảy lớn của nhân loại). Trong 21g 37 ph trên Mặt Trăng, Armstrong và Aldrin (Collins vẫn ở trên tàu mẹ để chờ Armstrong và Aldrin bay trở lại) đã thu nhặt các mẫu đất, đá, chụp nhiều bức ảnh và bố trí các dụng cụ khoa học. Ngày 21/7/1969, đoàn du hành đã rời Mặt Trăng và trở về hạ xuống Thái Bình Dương ngày 24/7/1969. Armstrong rời khỏi NASA năm 1971. Sau đó, từ 1971 đến 1979, ông là giáo sư kỹ thuật hàng không – vũ trụ ở Đại học Cincinnatti (Ohio) ; và từ 1979, là chủ tịch Cardwell International, Ltd., công ty cung cấp các thiết bị khoan dầu.