Лунный модуль LM служил для доставки двух астронавтов с селеноцентрической орбиты на поверхность Луны, обеспечения пребывания на ней и возвращения на окололунную орбиту. Он был создан фирмой "Grumman Aircraft Engineering Corp." по контракту от 7 ноября 1962 года.
LM имел две ступени, оснащенные автономными двигательными установками: посадочную и взлетную. Посадочная ступень использовалась для снижения с окололунной орбиты и мягкой посадки на лунную поверхность. Взлетная ступень, оборудованная герметической кабиной экипажа, доставляла астронавтов с поверхности Луны на окололунную орбиту, к командному модулю корабля "Apollo".
Посадочная ступень была выполнена в виде крестообразной рамы из алюминиевого сплава. В центральном отсеке смонтирован двигатель LMDE, способный к дросселированию в широком диапазоне тяги. В четырех отсеках вокруг центрального были установлены баки с топливом, кислородом для дыхания, гелием для наддува, электронное оборудование, подсистема навигации и управления, посадочный радиолокатор и аккумуляторы. Вся конструкция ступени снаружи была закрыта тепловой и противометеоритной экранновакуумной изоляцией (многослойный майлар с золотым напылением).
Энергия удара при посадке LM на поверхность Луны гасилась разрушающимися сотовыми патронами, установленными в телескопических стойках четырехногого шасси, а также за счет деформации сотовых вкладышей в центрах посадочных пят. Каждая пята была снабжена щупом, сигнализирующим экипажу о контакте с лунной поверхностью. До отделения LM от CSM шасси находится в сложенном состоянии, а после отделения пиропатроны перерезали чеки у каждой "ноги", и под действием пружин шасси выпускалось и становилось на замки.
При возвращении астронавтов посадочная ступень оставалась на Луне — она служила стартовым столом для взлетной ступени. Разделение ступеней производилось подрывом четырех пироболтов.
Взлетная ступень имела три основных отсека (кабину экипажа, центральный и задний), узлы крепления двигателей и антенного блока, тепловой экран. Кабина экипажа цилиндрической формы была изготовлена из алюминиевых сплавов. Два рабочих места астронавтов оборудованы пультами управления и приборными досками, системой фиксации тела, двумя окнами переднего обзора, верхним иллюминатором для наблюдения за процессом стыковки и телескопом в центре. В передней стенке отсека расположили квадратный выходной люк (0,81 х 0,81 м), открывающийся внутрь. Отсек экипажа переходил в центральный отсек, в середине которого под цилиндрическим кожухом был установлен взлетный жидкостный ракетный двигатель.
Система жизнеобеспечения состояла из блока очистки и регенерации атмосферы, регулирования давления, циркуляции воды в терморегуляторе, кранов подзарядки кислородом и водой автономной ранцевой системы жизнеобеспечения астронавтов. Система навигации и управления включала цифровой компьютер с пультом ввода, инерциальный измерительный блок, перископический телескоп, посадочный радиолокатор и радиолокатор встречи с CSM. Кроме того, на борту лунного корабля были установлены четыре приемопередатчика: система обеспечивала голосовую связь, передачу и прием данных для определения траектории, передачу 270 телеметрических измерений, телевизионную передачу на Землю.
21 декабря 1968 года американский корабль "Apollo 8" впервые в истории человечества ушел от Земли к Луне.
Через 11 минут 35 секунд после старта ракеты "Saturn V" (SA-503), "Apollo 8" (CSM-103) был уже на орбите высотой 185 км. Астронавты Фрэнк Фредерик Борман (р. 1928), Джеймс Артур Лоуэлл-младший (р. 1928) и Уильям Элисон Андерс (р. 1933) убедились, что на борту все в порядке.
В расчетное время с Земли передали: "Вам разрешается старт к Луне!" Заработал двигатель ступени "S-IVB", и через 318 секунд, набрав 10 822 м/с, ступень и корабль вышли на заданную траекторию.
В первый день полета все три астронавта чувствовали тошноту — оказалось, что в просторной кабине "Apollo" куда легче получить "космическую болезнь", чем в тесном корабле "Gemini". Фрэнк Борман не мог заснуть, пока не принял секонал, за что наутро расплатился головной болью, рвотой и поносом.
Через 55 часов корабль пересек точку равного притяжения Земли и Луны. Своей цели астронавты не видели — Луна терялась в солнечном сиянии. 24 декабря, когда они уже шли в тени над Луной, стала видна ее кромка. И лишь за три минуты до включения двигателя на торможение "Apollo" вышел из тени, и астронавты смогли разглядеть лунный пейзаж прямо под собой.
Через 69 часов корабль уменьшил скорость и вышел на окололунную орбиту высотой в периселении 111 км и в апоселении 312 км. На 72-м часу астронавты включили телевизионную камеру и показали землянам, как выглядит Луна. Она казалась совершенно бесцветной, серой и сплошь покрытой кратерами.
Через час, закончив два витка, астронавты включили двигатель еще раз, сделав орбиту почти круговой. При этом они вели съемку Луны, отрабатывая методику навигации на селеноцентрических орбитах.