Nach den gelungenen Testflügen von Apollo 8 (Mondumrundung ohne Lander) und Apollo 9 (Erprobung des Landers im Erdorbit) blieb eigentlich nur noch ein großer Test vor der ersten bemannten Mondlandung: die Erprobung aller Komponenten im Mondorbit. Eben diese Aufgabe hatte der Flug von Apollo 10. Und entsprechend gründlich war die Vorbereitung auf diese Mission. Mit Kommandant Thomas Stafford, Pilot John Young und Mondlander-​Pilot Eugene Cernan war zudem eine Crew mit reicher Gemini Erfahrung für das Unternehmen zusammengestellt worden. Nach der ursprünglichen Flugplanung sollten sich CSM-​106  und LM-​4  im Mondorbit nicht allzu weit voneinander entfernen. Doch im Zuge der Planungen für die Apollo 8 Mission wurde mehr daraus. Jetzt wagte man eine Annäherung an die Mondoberfläche bis auf etwa 15 km. Die Idee, den Abstieg bis unmittelbar vor dem Touchdown fortzusetzen und anschließend einen Notaufstieg zu simulieren, wurde dagegen als zu riskant verworfen. Der ursprüngliche Starttermin 01.05.1969 wurde auf den 17.05.1969 verschoben, einerseits, um der Crew noch mehr Zeit zum Training einzuräumen und andererseits, um ein günstigeres Startfenster zu nutzen. Schließlich erfolgte der Start der Saturn V am 18.05.1969 um 16:49 UTC von LC-​39 B auf Cape Canaveral. Die nochmalige Verschiebung um 24 Stunden sollte einen für die visuelle Erkundung von Landeplätzen günstigeren Einfallwinkel des Sonnenlichts gewährleisten. Trotz des sehr unruhigen Aufstiegs von AS-​505  erreichte Apollo 10 sicher die geplante Parkbahn um die Erde. Nichts sprach gegen den Abflug in Richtung Mond. Und so erfolgte rund 150 min nach dem Start die Freigabe für das TLI-​Manöver (Trans Lunar Injection). Mit der Wiederzündung der S-​IVB Stufe begann der Flug zum Mond. Wenig später koppelte Apollo 10 von der dritten Stufe ab, drehte um 180° und koppelte wieder am Mondlander an. Daß dabei die Entfernung bis auf 45 m anwuchs, dem dreifachen des geplanten Wertes, blieb ohne Folgen. Der weitere Flug war bereits „Routine“ und verlief mit hoher Präzision. Auf der Erde erfreuten sich die Fernsehzuschauer an den Farbbildern, die eine neue vom Westinghouse Konzern entwickelte nur 5,5 kg wiegende Kamera aus der Kapsel lieferte. Am 21.05.1969 kam Apollo 10 am Mond an und schwenkte in einen ersten Orbit ein. Hier begann die Crew mit der Aktivierung der Systeme der Landefähre „Snoopy“. Kurz vor der geplanten Abkopplung vom Mutterschiff gab es am nächsten Tag einige Besorgnis über die Verschiebung der beiden Hälften des Kopplungsadapters zueinander. Der Wert lag bei etwa 3,5°, was als noch nicht kritisch angesehen wurde. Also verlief die Mission weiter nach Plan. Im Funkschatten des Mondes koppelten Stafford und Cernan mit „Snoopy“ vom Kommando-​Modul „Charly Brown“ ab. Immer weiter entfernte sich das LM vom Mutterschiff mit Pilot Young. Während ihres Abstiegs bis auf 14.447 m über der Mondoberfläche beschrieben die beiden Astronauten ihre Eindrücke von der Mondoberfläche der Flugleitung in Houston und fertigten zahlreiche Fotos an, darunter von der für die Landung von Apollo 11 vorgesehenen Region. Schließlich begannen die Vorbereitungen für den Wiederaufstieg. Auch dieser verlief zunächst nach Plan. Doch unmittelbar nach der Abtrennung der Landestufe begann die Aufstiegsstufe wild und unkontrolliert zu rotieren. Erst das manuelle Übersteuern des Autopiloten brachte die Stufe wieder unter Kontrolle. Später fand sich die Ursache für den Zwischenfall in einer fehlerhaften Schalterstellung. Nach diesem Schreck verliefen die weitere Annäherung an das CSM und das Docking jedoch vollkommen programmgemäß. Die nächsten 24 Stunden dienten hauptsächlich der intensiven Beobachtung und Fotografie des Mondes. Nach Abschluß der Forschungen erfolgte das TEI-​Manöver (Trans Earth Injection), das Apollo wieder auf eine Bahn zurück zur Erde beschleunigte. Mit bereits gewohnter Präzision erfolgte der Rückflug. Nur 4,5 km vom Flugzeugträger USS „Princeton“ und mit 25 s Verspätung wasserte Apollo 10 nach 192:03 h Flugzeit am 26.05.1969 im Pazifik. Nach diesem Erfolg sprach nichts mehr ernsthaft gegen eine bemannte Mondlandung mit Apollo 11. Und der Start dieser Mission war bereits für den 16.07.1969 geplant!