Mise programu Apollo využívala dvoustupňový transfer na translunární dráhu (Trans-Lunar Injection – TLI). Sestava byla nejprve vynesena na nízkou parkovací oběžnou dráhu Země (LEO) ve výšce $h \approx 185\text{ km}$ s kruhovou rychlostí:

Zážeh motoru J-2 třetího stupně S-IVB udělil lodi charakteristický přírůstek rychlosti $\Delta v_{\mathrm{TLI}} \approx 3,05 - 3,15\text{ km/s}$, čímž se rychlost zvýšila na $v_{\mathrm{TLI}} \approx 10,84\text{ km/s}$ těsně pod únikovou rychlost ze Země ($v_{\mathrm{esc}} = \sqrt{2} v_{\mathrm{LEO}} \approx 11,02\text{ km/s}$).

Dráha byla navržena jako dráha volného návratu (free-return trajectory) – eliptická trajektorie v gravitačním poli soustavy Země-Měsíc (omezený problém tří těles v Jacobiho souřadnicích). Pokud by selhal brzdný motor servisního modulu (SPS), loď by gravitačním prakem obletěla Měsíc a vrátila se přímo do zemské atmosféry, což zachránilo posádku slavné mise Apollo 13.

Přistání lunárního modulu (LM) představovalo složitý dynamický proces řízený palubním počítačem AGC (Apollo Guidance Computer) s proměnným tahem sestupového motoru DPS (Descent Propulsion System, tah $4,7 - 45\text{ kN}$, palivo aerozin 50 a oxid dusičitý $\mathrm{N_2O_4}$):

1. DOI (Descent Orbit Insertion): Snížení perilunia z kruhové dráhy $110\text{ km}$ na výšku pouhých $15\text{ km}$ nad měsíčním terénem ($\Delta v \approx 25\text{ m/s}$).
2. PDI (Powered Descent Initiation): Zážeh brzdného motoru ve výšce 15 km při rychlosti $v \approx 1690\text{ m/s}$. Celý sestup trval přibližně 12 minut a vyžadoval $\Delta v_{\mathrm{descent}} \approx 2050\text{ m/s}$.
3. Přístupová fáze a přistání: Počítač přepnul na vizuální navádění (program P64), kde velitel převzal manuální korekci polohy řídicí pákou k vyhnutí se balvanům a kráterům, přičemž motor udržoval klesání rychlostí $\approx 1\text{ m/s}$ až do kontaktu měřicích sond (program P66).

Pro každý stupeň rakety Saturn V platí Tsiolkovského raketová rovnice:

kde $I_{\mathrm{sp}}$ je specifický impuls a $g_0 = 9,80665\text{ m/s}^2$.

• 1. stupeň (S-IC): $m_0 = 2,280,000\text{ kg}$, $m_f = 130,000\text{ kg} + m_{\mathrm{upper}}$, $I_{\mathrm{sp}} = 263\text{ s}$ (hladina moře) $\to 304\text{ s}$ (vakuum). Poskytl $\Delta v \approx 2,75\text{ km/s}$.
• 2. stupeň (S-II): $m_0 = 480,000\text{ kg}$, 5 motorů J-2 (LH2/LOX), $I_{\mathrm{sp}} = 421\text{ s}$. Poskytl $\Delta v \approx 4,22\text{ km/s}$.
• 3. stupeň (S-IVB): $m_0 = 120,000\text{ kg}$, 1 motor J-2, $I_{\mathrm{sp}} = 421\text{ s}$. Zajišťoval dohoření na LEO a následný zážeh TLI.

Poměr užitečného zatížení dopraveného na povrch Měsíce ($\sim 5\text{ tun}$ přistávacího modulu) k celkové startovní hmotnosti rakety činil pouhých $0,17,$, což ilustruje extrémní energetickou náročnost letů k jiným nebeským tělesům.