닐 암스트롱은 4년간의 우주비행적응 훈련을 마치고 1966년 3월 제미니 8호의 선장으로 D.R.스콧과 함께 첫 우주비행을 하여 아제나 위성과 최초의 도킹에 성공한다.

이어 3년뒤 아폴로 11호의 선장이 되어 1969년 7월 16일, 버즈 올드린과 마이클 콜린스 비행사와 함께 플로리다주의 케네디 우주 기지를 출발하였다. 그로부터 4일 후에 달 주위를 도는 궤도 위에서 모선에 남은 마이클 콜린스와 헤어져서, 올드린과 함께 달 착륙선으로 '고요한 바다'에 착륙하였고 여기서 암스트롱은 휴스턴의 나사본부에 교신에 성공한다. 그는 이곳에서 다음과 같은 유명한 말을 남긴다.

“이 첫걸음은 한 인간에게 있어서 작은 발걸음이지만 인류 전체에게 있어서 커다란 첫 도약입니다.”

"인류의 커다란 한 걸음"을 버즈 올드린과 함께 달 표면을 2시간 반 동안 탐사했고 이 시간 동안 달 표면에 모래와 암석을 모으는 한편 지진계 등을 설치해 놓은 다음 5일 뒤 무사히 지구로 돌아오게 된다. 그의 나이는 39세였다.

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