阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上漫步了近2小时36分钟（这一次的停留时间在总共六次登月任务中是最短的一次，随着经验的积累和技术的成熟，之后的月表行走时间逐渐加长，到“阿波罗17号”时达到21小时），其工作内容包括测试月球引力、完成一系列试验等。尽管在月球上的停留时间非常短暂，但这已足以让他们成为地球上的超级明星。
在月面上的两个半小时左右的时间里，航天员们放置了许多科学仪器，比如月面激光测距实验使用的反射器阵列等，他们留在月面上的还有：一面美国国旗和一个纪念牌(安置在登月舱下降级爬梯上)，纪念牌上画有2幅地球的图像(东半球和西半球)、题字、航天员的签名和理查德・尼克松的签名。纪念牌上的题字为：公元1969年7月，来自地球的人类第一次登上月球，我们为全人类的和平而来。
登月舱上升级上的影片记录显示，在起飞阶段时，放置在离下降级75厘米远的美国国旗被上升发动机喷出的气体猛烈吹动。随着降落场慢慢离开视野，旗子似乎已经倾倒，但是否倾倒不确定(奥尔德林则回忆说：“登月舱的上升级与下降级分开……我当时正盯着电脑，尼尔正看着高度表，但我还是看了一眼，发现旗子倒了。”)“在阿波罗11”号之后所有登月飞船放置在月面上的美国国旗都至少离开登月舱30米，以避免被上升发动机吹倒。
奥尔德林先爬进了登月舱，之后两名航天员一起用一种叫做月面器材传送带的扁平索滑轮装置费力地将拍摄的胶片和2个装有约22千克月面样本的盒子运进登月舱。阿姆斯特朗随后跳上爬梯的第三级，并爬进了登月舱。为了减轻登月舱上升级的重量以返回绕月轨道，两名航天员在转换到登月舱上的生命保障系统后，开始将航天服上的PISS(便携式生命保障系统)背包、月而套鞋、相机和其他一些设备抛弃在月面上。之后他们重新对登月舱加压，接着就去睡觉了。
当阿姆斯特朗和奥尔德林脱下了宇航服上的头盔时，他们突然闻到了一股强烈的怪异气味。阿姆斯特朗描述称，这股怪味有点像是“壁炉中被水浇湿的灰烬的气味”，而奥尔德林则形容称，这种怪味有点像“用过的火药气味”。事实上，他们闻到的是通过他们的太空靴靴底被带到飞船上的一点点月球尘土的气味。
与此之前的危险相比，接下来的行动将更加艰难。登月舱仍旧是问题的核心。登月舱只有一个引擎，只有保证它顺利完成点火，宇航员们才能离开月球。在早期的测试中，引擎曾出现过很多问题，以往测试的结果是，发动机只有50%的成功率。如果出于某种原因，上升引擎失效，地球控制中心将没有任何办法挽救宇航员，他们将永远留在月球上了。
两名宇航员在完成了两小时的月球行走后，突然发现了一个令人震惊的物品，在一处尘埃里，他们看到了一件完全不应该出现在那儿的东西――一个电路铡刀断裂的一头。由于登月舱环境拥挤，臃肿的宇航服刮断了启动引擎极为关键的一个电路开关。
如果要让引擎启动，让登月舱顺利升空并且把他们带回家，他们就必须把开关重新修复。面对这样的不测，地球飞行控制中心根本无能为力，只有宇航员自己使用飞船上仅有的工具来想办法解决。
这时奥尔德林用了他带上登月舱的一支旧圆珠笔，笔头上没有金属，他用笔接好了电路，重新启动了登月舱。令人难以置信的是，引擎启动了，一支小小的笔，避免了一场悲剧的发生!在与“哥伦比亚”会合之后，“鹰”号登月舱被抛弃并留在绕月轨道上。据NASA报告称，“鹰”的轨道逐渐降低最终在“某一地点”与月球相撞。
不过宇航员们还没有真正脱离危险。在登月任务进行到第8天的时候，阿波罗11号接近地球，准备挑战此行的最后的一道难关。如果返回舱进入大气层的角度太大，就会遭遇过大的重力加速度和高温；如果太小，飞船的高度又会攀升，重新回到太空。他们可能会在进入大气层之前因为氧气耗尽而死去。
进入大气层的高温让地面与返回舱的通信彻底中断。在4分钟焦急的等待中，地面上的人完全不知道这艘飞船能否承受住高温的考验。进入黑障区，仪器上显示飞船的速度是每秒钟36237英尺，距离溅落点1510海里。在15000英尺的高度，三个降落伞打开。冲破了重重险阻，阿波罗11号终于回到了地球。航天员们的溅落点为北纬13°19′，西经169°9′，维克岛以东2660千米，或约翰斯顿环礁以南380千米，距回收船“大黄蜂”号24千米。在溅落约1小时后，航天员被回收直升机发现，之后他们进入了一个用做隔离殴施的拖车。
当“阿波罗11号”的3名宇航员安全返回地球后，他们并没有立即返回家中，而是在一个无菌化的密室中被隔离了整整3周。因为美国宇航局担心他们可能会从月球上带回某种不为人知的太空病原体，从而给对这种病毒毫无免疫能力的人类带来毁灭性的灾难，在美国科幻恐怖电影中，异形和外星病毒经常会寄生在宇航员身上，“暗渡陈仓”抵达地球肆虐人类。直到3名宇航员被隔离了3周后，美国宇航局的医学专家认为他们并没有被病毒感染，这才将他们放出“隔离室”，和家人幸福团聚。
当阿姆斯特朗从月球返回地球与媒体见面时，有位记者采访他：“此时此刻你最想说的话是什么？”阿姆斯特朗似乎想起了当年那个调皮的小男孩，回答说：“我想对妈妈说，我从月球上回来了，我想回家吃晚饭！”
当晚在洛杉矶为“阿波罗11”号成员举行了国宴，出席的有国会议员、44位州长、首席大法官和83个国家的大使。尼克松总统向每位航天员颁发了总统自由勋章，这次庆典只是一个长达45天的名为“一大步”巡游的开始。在这次巡游中航天员们去了25个国家，在此期间还拜访了许多著名人物包括伊丽莎白二世女王。许多国家为庆祝第一次载人登月都发行了纪念邮票或纪念币。
1969年9月16日，三名航天员在国会山举行的参众两院联席会议上发表演讲，他们向众议院和参议院分别赠送了一面随他们登月的美国国旗。
指令舱现在陈列在华盛顿的国家航空航天博物馆中，它被摆放在朝着杰弗逊大道人口的主展厅正中，在主展厅里还有其他先驱飞行器，比如“圣路易精神”号、贝尔X-1、北美X-15、“水星舱友谊7”号和“双子星4”号。用作隔离舱的拖车被陈列在弗吉尼亚州华盛顿杜勒斯国际机场的史密森Udvar-Hazy中心。
