7月21日凌晨1时10分，阿姆斯特朗和奥尔德林把两箱月球样品装进登月艇，严严实实地关好舱门，接着给真空的舱内放进氧气，直到舱内气压从1/7气压升到1/3气压时才停止。温度则保持在摄氏16度。他们卸下背包，脱掉在月面工作时穿的宇宙服和手套、靴罩。他们必须先休息一段时间再启程返回。
21日上午11时零5分，休斯敦叫醒了已休息了7小时的两位宇航员。阿姆斯特朗和奥尔德林预定在当天下午1时54分离开月球。这次登月又一个关键的时刻快要到来了。从月球地面上发射升空，这件事谁都没有做过，那里既没有发射技术员和工作人员，也没有发射架。他们必须把登月艇的下半部分当作发射架，登月艇的头部是上升部，宇航员的座舱就在这儿。
鹰号的上升发动机猛烈喷射，迅速上升。登月艇在上升中有点前后颠簸，接着变得很平衡，休斯敦终于放下心来。接下去的工作，是阿波罗10号已经做过的。
4分钟后，鹰号飞离静海，回到月球轨道。阿姆斯特朗他们留在月球上的，除了本来准备安放的仪器及美国国旗，还有一大堆宇航员用过后为减轻重量而抛掉的东西：几架照相机、步行的靴子、设备匣子、一支铝竿、两只背包等，及登月艇的下半截。
阿姆斯特朗他们上升的时候，柯林斯已驾驶着指挥舱绕月飞到第25圈。当阿姆斯特朗他们在月球上做人类从未做过的伟大事业时，柯林斯几乎是个被遗忘的人物。可是，现代探险需要有严格的分工，要不是柯林斯驾驶着指挥舱绕月飞行，鹰号升到月球轨道后会无法回到地球。
哥伦比亚号和鹰号在月球轨道上顺利地实现的会合和对接。对接一结束，柯林斯立即卸下对接针和舱口，使连接口变成通道。接着，他升高指挥舱内的压力，并从指挥舱向鹰号舱内吹送氧气，以免鹰号内的月球细菌（假如有的话）进入指挥舱。
柯林斯轻飘飘地向鹰号走去，通过通道，他首先看到的是炯炯发光的四只眼睛。3个人的手在通道里激动地、紧紧地握在一起。接着，阿姆斯特朗和奥尔德林把装有月球石的箱子递给柯林斯，柯林斯庄重地把箱子放进贮藏舱内。
现在，登月艇已经完成了它的使命。宇航员们把它抛弃了，让它变成绕月飞行的一块废料。他们发动阿波罗11号的主发动机，把飞船推出月球轨道，作60小时飞向大平洋降落地点的飞行。
1969年7月24日美国东部时间12时50分，阿波罗11号在夏威夷西南1200公里的海面上溅落，等待打捞的航空母舰“大黄蜂”号就在附近海面上，尼克松总统站在甲板上迎接他们。
当密封的指挥舱从海里浮上来后，直升飞机上跳下潜水员。他们驾驶着橡皮艇，对指挥舱进行消毒。因为它首次从地球以外的天体飞回，说不定会从月球上带回什么细菌或病毒。
“大黄蜂”号驶近指挥舱。直升飞机上放下隔离服，舱口打开2～3分钟以便接受隔离服，然后又关闭。潜水员也是穿着黑色隔离服，只露出一双眼睛。在指挥舱周围，用软管喷上一层茶色液体，这是一种类似碘酒的消毒药。
宇航员们穿好黑色隔离服后，舱口又打开了，他们一人带一只红色救生袋走了出来。经过喷酒、抹擦消毒药后，一个一个爬上了直升飞机。从电视里可以清楚地看到他们坐进如同鸟笼的吊篮被吊上去的情景。
载着宇航员的直升飞机在“大黄蜂”号甲板上降落。以往的几次太空飞行，宇航员就在这里走出直升飞机，高兴地说话和致意。可这次，宇航员们是从另外的天体归来。直升机停下后，马上用电梯把它放回甲板下的船舱里。船舱里有一间公共汽车大小的移动隔离室。直升机被运到隔离室边，架上扶梯，在通往隔离室的区间铺上地毯，消毒员在地毯周围进行消毒。直升飞机的门打开了，在欢迎人群的掌声中，三位宇航员挥手致意，走进隔离室，陪同的医生和两位技术员也一同走进隔离室，又把门关上。
阿姆斯特朗、奥尔德林、柯林斯在半个月内不能回家。尼克松总统走下船舱，站在隔离室前与他们说话。
隔离室很快经由夏威夷运回休斯敦的爱灵敦空军基地。三位宇航员的家属隔着玻璃看了一下自己的亲人后，拖车就把隔离室送到休斯敦宇航中心的月面资料研究所。另一架飞机已经把月球岩石运到这儿来了。宇航员们必须在这里伴着这些岩石过一段与外界隔绝的生活。
月面资料研究所为做到与世隔绝，造价昂贵。这儿除三名宇航员外，还有两名医生、14名为他们服务的工作人员。从月球上带回的岩石、胶卷、指挥舱都放在这里，检查是否带有微生物。检查方法是把岩石或宇宙尘埃涂到无菌的小白鼠、海胆、虾、牡蛎、苔藓、昆虫、鹌鹑等身上，进行组织培养，也就是在活物细胞里培植细细碾碎的月岩。结果，没有发现任何微生物，岩石中也未发现能证明过去有过生物的化石。同样，宇航员体内也无异常情况。
阿姆斯特朗等三名宇航员的幽闭生活到8月10日才结束。他们的饮食全被一一检查，大小便也要检查，与家属、记者及航天局的工作人员会面都是隔着一层玻璃，说话使用麦克风和扩音器。
8月11日，他们被认为无异常现象，可以回家，不过，一年后还要经常进行健康检查。
从阿斯特朗之后，人类的航天事业又进入了一个新阶段。