Миссия «Аполлона-8» была слишком сложной для того, чтобы выполнить все ее аспекты мог каждый член экипажа. Соответственно, каждый астронавт выполнял определенные задачи. Например, помимо выполнения роли командира корабля, Борман отвечал за проведение командного модуля через плотные слои атмосферы при возвращении в случае отказа компьютера. Андерс мастерски овладел системами командного модуля. Лавелл справлялся со сложными задачами навигации по звездам, например, использовал секстант для проверки правильности курса корабля.
После трех дней полета наступил очень волнующий момент: астронавты впервые увидели Луну. Теперь это было огромное небесное тело, вырисовывавшееся в непосредственной близости. Как настоящие первопроходцы, астронавты осуществили маневр выхода на окололунную орбиту: чтобы уменьшить скорость «Аполлона-8» и выйти на орбиту вокруг Луны, включился двигатель служебной ракетной системы объединенного командного и служебного модуля. Двигатель служебной ракетной системы имел только одну камеру сгорания и одно выхлопное сопло, и такое на вид хрупкое устройство обеспечивало и безопасность и успех полета. Выход на окололунную орбиту также производился без радиосвязи с Центром управления полетом. Когда экипаж изучил бортовую инструкцию включения служебного ракетного двигателя для выхода на лунную орбиту, они внезапно погрузились в темноту, так как корабль развернулся и оказался в тени Луны. Андерс глянул на эту черноту и в первое время видел небо, переполненное неисчислимыми звездами. Андрей Чайкин в своей знаменитой книге «Человек на Луне» живо ухватил это необычайное зрелище: «Он потянулся к плоскому стеклу, чтобы посмотреть назад, через свое плечо… и заметил отчетливую дугу, по одну сторону которой вообще не было звезд, лишь одна чернота. Внезапно его поразила жуткая мысль, что эта дыра в звездах была Луной. Волосы у него на затылке стали дыбом».
Космический корабль «Аполлон-8» находился теперь на орбите, на высоте 110 км над лунной поверхностью. Включение ракетного двигателя вызвало страстное желание вернуться домой. Уже двигатель служебной ракетной системы — к облегчению службы управления — заработал по расписанию и без огрехов. Опасения, что «Аполлон-8» мог бы попасть на опасную орбиту или даже разбиться на Луне, оказались напрасными, и теперь можно было ликовать. Поскольку успешный выход на лунную орбиту пришелся на канун Рождества, это совпадение привело к одному из наиболее замечательных эпизодов в программе «Аполлон» — эпизоду, свидетелями которого станут миллионы телезрителей на Земле. Телевизионная трансляция была уже назначена на 24 декабря. Экипаж подготовился к передаче, глядя на необычное зрелище — Земля всходила над Луной. Телепередача началась с описания Борманом событий этого дня и выполненных экипажем многочисленных задач. Затем он описал пустынность Луны. К нему присоединился Лавелл и рассказал о том, как они пролетали над «огромным оазисом». Андерс перечислил прохождение «Аполлона-8» над такими лунными территориями, как Море Кризисов, Море Плодородия, Озеро Сновидений и, наконец, Море Спокойствия. Затем члены экипажа прочитали отрывки из истории сотворения мира в Книге Бытия. После этого Борман закончил программу: «И от команды „Аполлона-8“ мы прощаемся, спокойной ночи, счастливого Рождества и благослови вас всех Бог, всех вас на нашей доброй Земле».
Предрождественский телерепортаж превратился в продолжительный сеанс связи с «Аполлоном-8», а фотографии, сделанные во время полета, стали постоянным напоминанием о первом полете человека к Луне. Эти фотоснимки, сделанные экипажем, давали новое представление не просто о Луне, главном объекте для фотографа, но и о самой Земле. Главным визуальным открытием стал незапланированный «восход Земли». Потрясающий вид Земли предстал перед «Аполлоном-8» на четвертом витке, когда корабль проходил над обратной стороной Луны. Когда Андерс посмотрел в окно, он неожиданно воскликнул: «О, мой Бог! Посмотрите на эту картину». «Что там?» Простой ответ Андерса выразил чувства, которые он испытал в этот ни с чем не сравнимый момент: «Земля восходит. О, это прекрасно». И из окна космического корабля, пока он летел над бесцветным серым лунным ландшафтом, люди впервые наблюдали за «восходом Земли». Огромный контраст между застывшим бесплодным однообразием Луны и Землей был всем очевиден. Бело-голубой глобус, возникший над лунным горизонтом, имел живые и глубокие тона, которые казались еще более яркими на фоне черной бесконечности космоса. Символические фотографии Андерса были признаны одними из самых значительных в истории и заставили человечество ощутить уникальную хрупкость нашей планеты. Позже Андерс вспоминал о чувствах, которые охватили его, когда он смотрел на свой дом из бескрайнего «далека» космоса. Люди преодолели огромное расстояние, чтобы исследовать Луну, думал он, а то, что мы в действительности открыли, оказалось новой точкой зрения на Землю.
Возвращение «Аполлона-8» домой началось с напряженного выхода на околоземную орбиту. Важнейший маневр зависел от одного двигателя и одного включения; отказ двигателя означал бы, что корабль обречен застрять на лунной орбите с ограниченным запасом кислорода и воды, то есть — верную гибель экипажа. К огромному облегчению Центра управления и бесчисленных наблюдателей на Земле, этот переход прошел успешно, и космический корабль «Аполлон-8» направил экипаж домой. Путешествие назад на Землю продолжалось три долгих дня, напоминая об огромном расстоянии, которое прошел корабль. «Аполлон-8» на огромной скорости вошел в плотные слои атмосферы Земли точно под необходимым углом. Как только он преодолел этот барьер, испытав колоссальное давление и температуру, вовремя сработала система парашютов, обеспечив безопасное приводнение. «Аполлон-8» совершил самый ошеломляющий и беспрецедентный космический полет века.
С успехом «Аполлона-8» масштабная задача испытания сложных лунных модулей выдвинулась на первый план, став следующей важнейшей целью. Усовершенствование лунных модулей стало последним барьером, преодолев который, можно было пытаться произвести посадку на Луну. С учетом сложности лунных модулей, два полета «Аполлона» были отложены для проведения исчерпывающих испытаний. При каждом будущем полете к Луне лунный модуль будет раскрываться из своего переходного отсека третьей ступени и затем стыковаться с командным модулем. Отсюда экипаж войдет в лунный модуль и затем совершит снижение с включенным двигателем на лунную поверхность. «Аполлон-9» предоставил первую возможность испытать системы лунного модуля — на околоземной орбите, где будет отрабатываться и оттачиваться передовая технология сближения. Затем последовал «Аполлон-10»: генеральная репетиция, во время которой лунный модуль с двумя астронавтами приблизился к Луне на 15 км. Так как оба испытания прошли успешно, посадка на Луну была запланирована на июль 1969 года. Огромная сложность обоих полетов не давала полной уверенности в успехе.
«Аполлон-9» был запущен на околоземную орбиту 3 марта 1969 года. Полет должен был длиться 10 дней. Командиром полета стал Джим Макдивит. Он получил это назначение, имея значительный опыт: был летчиком ВВС в Корее и членом экипажа «Джемини-4». Вместе с ним летели Дэвид Скотт, бывший летчик-испытатель ВВС и участник полета на «Джемини-8», и Рассел Швейкарт, также бывший летчик-истребитель ВВС и бывший ученый-исследователь Массачусетского технологического института. Оказавшись на околоземной орбите на высоте 190 км над Землей, экипаж «Аполлон-9» приступил к сложной задаче развертывания лунного модуля и его стыковки с командным модулем. Во время запуска лунный модуль находился в переходном отсеке третьей ступени. Первый шаг заключался в том, чтобы отделить командный и служебный модули, до этого состыкованные вместе, от третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн-5» и затем отойти на несколько метров для выполнения разворота на 180°. Задачей следующего шага было раскрыть четыре конических, похожих на двери гаража, лепестка переходного отсека, которые отделялись и уплывали в космос. Внутри находился лунный модуль, готовый к выходу и стыковке. Скотт расположил командный и служебный модули нос к носу к лунному модулю и сдвинул их вместе, при этом стыковочный штырь командно-служебного модуля, расположенный в носовой части, точно вошел в стыковочный порт на крыше лунного модуля. Автоматические защелки стыковочного устройства сцепили корабли вместе. Затем надо было извлечь лунный модуль из его гаража. Как только туннель между двумя модулями стал прочным и безопасным, весь космический корабль «Аполлон» был выведен из третьей ступени «Сатурна». Затем для возвращения назад Скотт использовал возвратный ракетный двигатель малой тяги командно-служебного модуля.
