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En 1954 Neil se convirtió en piloto civil de investigación experimental en el Comité Nacional de Asesoramiento para la Aeronáutica en Cleveland, Ohio. Posteriormente, al volver a la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California, Armstrong comenzó a trabajar con la NASA y voló el X-15 a 207,000 pies. “Siempre estaba más contento cuando piloteaba; no era alguien a quien le gustara trabajar en una oficina”, comentó después Janet a Hansen. Gracias a la película Elegidos para la Gloria (The Right Stuff), mucha gente cree erróneamente que Chuck Yeager fue el primer hombre en volar un avión hasta el límite del espacio. De hecho, fueron Armstrong y sus compañeros pilotos de prueba del X-15 quienes pueden atribuirse ese honor. 

La tragedia llegó cuando la hija de 2 años de Armstrong, Karen Anne “Muffie”, murió de un tumor cerebral maligno en el sexto aniversario de bodas. Neil, quien permaneció emocionalmente estoico y firme cual piloto de pruebas, no permitió que sus emociones lo sobrepasaran, al parecer utilizando el trabajo como apoyo para llenar el vacío emocional y dejar atrás el dolor. Su hermana June relató: “Pensé que se desmoronaría, pero fue entonces cuando comenzó en el programa espacial”. Así, algunos meses después en 1962, Neil se registró para la selección de astronautas. Se convirtió oficialmente en astronauta el 17 de septiembre de 1962, como miembro del segundo grupo, después del grupo inicial Mercury 7 de 1959. (Sus compañeros de tripulación en el Apolo 11, Edwin “Buzz” Aldrin, Jr. y Michael Collins, fueron miembros del tercer grupo seleccionado en octubre de 1963).

 

Armstrong logró de algún modo enterrar su pérdida y continuó en el programa de entrenamiento para astronautas. Antes del alunizaje sirvió como piloto al mando del Gemini VIII en una misión de medio día en marzo de 1966. Ese vuelo fue abortado cuando un propulsor defectuoso giró la cápsula a unas vertiginosas 500 rpm. 

Como comandante del Apolo 11, Armstrong tenía la responsabilidad de alunizar el Módulo Lunar (LEM, por sus siglas originales en inglés). Guiado con información de una computadora y las instrucciones del piloto Aldrin a su derecha, Armstrong maniobró la nave por un paisaje inesperadamente repleto de rocas esparcidas hacia lo que pudo haber sido cualquier cosa menos un aterrizaje exitoso. El LEM “vuela” en una configuración de “pies primero, ventanas arriba”, al igual que los astronautas. La nave desciende inclinada hacia el frente hasta el último instante, de manera que el comandante pueda ver el terreno al frente. Sin el elemento humano, el piloto automático de la aeronave probablemente hubiera desmembrado la alargada máquina tetrápoda entre las rocas, si es que hubiera podido alunizar. 

Bajo la guía de Armstrong, el LEM continuó descendiendo. Él y Aldrin volaron con todo y las advertencias de sobrecarga de la computadora central mientras buscaban un punto despejado para descender. Armstrong dijo después que debido a que, desde el punto de vista de su piloto, “nada se estaba sacudiendo ni había movimientos erráticos” se “decidió a seguir adelante mientras todo pareciera que funcionaba bien”. Luego los controladores en tierra de la NASA recordaron otra distracción: “treinta segundos” es la frase que se escuchó. Muchos consideran que Aldrin estaba calculando el tiempo restante para el alunizaje, pero en realidad era el tiempo que quedaba antes de que se les acabara el combustible. 

Cuando Armstrong finalmente hizo el llamado: “Aquí Base Tranquilidad, el Águila ha alunizado”, la respuesta de “Gracias. Nos han devuelto el aliento” queda totalmente en contexto. En realidad a nadie le importó que no hubieran alunizado en el sitio exacto que habían determinado. Armstrong dijo después: “Como quiera que sea, no era tan importante dónde debíamos alunizar exactamente; de todas maneras no iba a haber ningún comité de bienvenida”.

Aproximadamente cinco horas y media después, a las 10:56 p.m., hora del Este, Armstrong caminó en la Luna. Aunque su imagen era un difuso blanco y negro, sus palabras fueron claras: “Éste es un pequeño paso para el hombre, pero un gran paso para la humanidad”, y desde entonces las hemos recordado así. Armstrong señaló después que dijo “un” [refiriéndose a “un hombre”], como una nimiedad perdida en la memoria personal y colectiva. 

Después de su tránsito de cuatro días, Armstrong y Aldrin caminaron sobre la Luna durante 151 minutos, recolectaron rocas y colocaron instrumentos que iban a dejar para monitorear desde la Tierra. Al día siguiente se reunieron con Collins en el Módulo de Comando en órbita, se pusieron fuera de órbita y amarizaron en el Océano Pacífico en la mañana del 24 de julio. Los tres fueron puestos en cuarentena debido a la posibilidad de haber contraído algún germen lunar hasta el 10 de agosto. Nadie se enfermó. Los 15 kg (34 lb) de muestras de rocas y tierra del Apolo 11 fueron los primeros de un total de 376 kg (836 lb) que el programa traería con el tiempo para su estudio