Взлёт с Луны и стыковкаБаза Спокойствия, снятая КА LRO в конце 2011 года. К северо-западу от посадочной ступени «Орла» (LM) — телекамера, к югу — лазерный отражатель (LRRR) и сейсмометр (PSEP), к востоку — кратер Литл Уэст
Сразу после подъёма астронавты начали готовиться к взлёту. Они пробыли на Луне в общей сложности 21 час 36 минут 21 секунду. Двигатель взлётной ступени лунного модуля был включён, как и планировалось, в 124 часа 22 минуты полётного времени. Первые 10 секунд «Орёл» поднимался строго вертикально. Олдрин увидел в свой иллюминатор, как под воздействием реактивной струи полетели в разные стороны мелкие куски теплоизоляции посадочной ступени и упал установленный ими флаг. Когда скорость достигла 12 м/с, корабль повернулся по тангажу на 50° вперёд, чтобы начала увеличиваться горизонтальная скорость. Через 7 минут «Орёл» вышел на промежуточную орбиту с периселением 17 км и апоселением 87 км. Примерно через час после взлёта, когда оба корабля находились над обратной стороной Луны, Армстронг включил двигатели системы ориентации. Лунный модуль перешёл на почти круговую орбиту, периселений которой поднялся до 83,3 км. В результате ещё нескольких последовательных манёвров через три с половиной часа после взлёта «Орёл» и «Колумбия» сблизились до расстояния 30 м и зависли неподвижно относительно друг друга. Чтобы получше рассмотреть взлётную ступень лунного модуля, Коллинз попросил Армстронга чуть развернуть корабль. Выполнение этого манёвра привело к так называемому складыванию рамок трёхосного гироскопа в навигационной системе «Орла». Далее Коллинз вручную произвёл окончательное сближение и стыковку. Перед стягиванием возникло сильное круговое движение кораблей относительно друг друга. Оно было вызвано включением маневровых двигателей «Орла», поддерживавших его ориентацию. Коллинзу удалось стабилизировать корабли и завершить стыковку, хотя он уже подумывал о том, что придётся делать вторую попытку. Далее он наддул переходной туннель, открыл люк и передал Армстронгу и Олдрину пылесос. Они, насколько было возможно, почистили скафандры и всё, что предстояло перенести в командный модуль. Коллинз стал третьим человеком, увидевшим лунный грунт. Армстронг, не открывая, показал ему пакет с аварийными образцами. Вскоре после того, как Армстронг и Олдрин перешли в командный модуль, взлётная ступень «Орла» была сброшена. Она осталась на орбите, но со временем должна была упасть на Луну. Коллинз 7-секундным включением двигателей системы ориентации отвёл «Колумбию» на безопасное расстояние (в радиопереговорах ЦУП снова перешёл на позывные «Аполлон-11»). Когда манёвр был завершён, Армстронг и Олдрин сняли свои скафандры, которые были надеты на них с предыдущего дня. Оператор связи в Хьюстоне сообщил астронавтам, что их полёт — основная тема мировой прессы. Поздравительные телеграммы от зарубежных лидеров продолжали поступать в Белый дом непрерывным потоком. Свои поздравления экипажу «Аполлона-11» и Президенту Никсону передал советский Премьер-министр Алексей Косыгин через находившегося с визитом в СССР бывшего вице-президента США Хьюберта Хамфри. Советские космонавты также выступили с поздравительным заявлением.
Обратный полёт к Земле
В самом начале 31-го витка, когда корабль находился над обратной стороной Луны, был включён его маршевый двигатель. Он отработал 2 минуты 28 секунд. «Аполлон-11» перешёл на траекторию полёта к Земле. Астронавты развернули его носом в обратную сторону, чтобы пофотографировать быстро удалявшуюся Луну. После этого они перевели командно-служебный модуль в режим пассивного термического контроля (медленное вращение вокруг продольной оси), и у экипажа начался 10-часовой период ночного отдыха.
На седьмой день полёта, 22 июля, вскоре после того, как астронавты проснулись, «Аполлон-11» пересёк невидимую границу, за которой гравитационное воздействие Земли на него стало больше лунного. От Луны он удалился на расстояние 62 600 км, а до Земли осталось 322 000 км. Оператор связи в Хьюстоне сообщил экипажу последние новости, из которых следовало, что только четыре страны на планете всё ещё не проинформировали своих граждан о полёте «Аполлона-11» и о посадке людей на Луну: Китай, Северная Корея, Северный Вьетнам и Албания. Астронавты узнали также, что вечером Президент Никсон отправляется на Тихий океан, где через день будет приветствовать их на борту авианосца «Хорнет» сразу после приводнения, а днём ранее советская автоматическая станция «Луна-15» потерпела катастрофу в Море Кризисов. Была проведена промежуточная коррекция курса № 5, первая на обратном пути. В конце дня астронавты провели телетрансляцию. Перед её началом они сориентировали корабль таким образом, чтобы через разные иллюминаторы можно было показать и Землю, и Луну. Затем под комментарии Армстронга зрители увидели герметичные контейнеры с образцами лунного грунта. Олдрин рассказал о продуктах, которые астронавты употребляют в пищу, показал, как они намазывают пасту из ветчины на кусок хлеба, и на пустой банке продемонстрировал работу гироскопа. Коллинз для детей показал, как ведёт себя вода в невесомости, и объяснил, как экипаж пьёт воду из водяного пистолета.