從技術上講，阿波羅8號和阿波羅9號的飛行成功，使阿波羅10號完全可以執行載人登月任務，但登月艙只飛行了兩次，一次是不載人的，一次是載人的，試驗工作做得還不夠，特別是登月艙還沒有飛到月球附近。因此，阿波羅10號計劃繼續進行飛行試驗。

1969年4月，最終確定阿波羅10號的飛行是除登月外的一次完整彩排。當進入月球軌道後，登月艙正常分離、下降，到離月面一定高度時，啟動上升發動機返回軌道與指令/服務艙對接，再一同返回。這次試驗飛行與登月的難度、程式完整性幾乎一樣。

參加這次飛行任務的宇航員是指令長斯塔福德，指令艙駕駛員約翰·揚和登月艙駕駛員塞爾南。阿波羅10號飛船系統也進行了命名，飛船稱“查理·布朗”，登月艙稱“史努比”。均為美國著名漫畫家查爾斯·舒爾茨創作的漫畫《花生》中的形象。

1969年5月18日12時49分，一枚土星五號火箭將阿波羅10號飛船升空。經過11分53秒後，進入（190×184.5）千米的地球軌道。繞地球飛行兩圈並進行必要的檢查後，第三級於2小時33分25秒第二次點火，將飛船系統推入奔月軌道，此時飛船達到每秒12.35千米的逃逸速度，向月球進發。3小時3分時火箭第三級與飛船分離。約翰·揚操縱飛船掉頭、機動與第三級結合部的登月艙對接，此時的時間是3小時56分。

經過10小時的飛行，到75小時55分53秒服務艙主發動機點火356秒，進入月球軌道，軌道高度是（315×110.4）千米。80小時25分7秒服務艙發動機再次點火調整軌道，噴射時間為13.9秒，軌道變為（109.1×113.9）千米。

起飛時間98小時22分，斯塔福德和塞爾南進入登月艙。99小時46分，登月艙下降發動機點火，噴射了27.4秒，從最小推力到10%推力，再到40%推力。登月艙的軌道高度不斷降低，到最低時近月點只有15.4千米。在這個低軌道上，可以非常清楚地觀察到靜海著陸區的細節。他們拍了大量照片，描述了他們所見的地物特徵，試驗了下降雷達。

指令艙駕駛員約翰·揚駕駛指令服務艙繼續繞月飛行。它能夠看到遠在120千米的登月艙像蜘蛛一樣繞月球飛行著。由於軌道不同，他們的最遠距離達到630千米。

在登月艙內，下降發動機第一次點火後1小時，斯塔福德和塞爾南再次啟動發動機，將軌道抬高，這時推力達到100%，噴射時間40秒。102小時45分時，登月艙上升艙與下降艙分離，10分鐘後上升發動機啟動工作了15.5秒。這次操作很完美，最後發現登月艙上升艙與軌道上的指令艙相距僅78千米。宇航員再次啟動上升發動機15秒，把上升段推向月球軌道與指令艙的會合點。經過不到4小時的會合，上升艙與指令艙在106小時22分時對接成功。斯塔福德和塞爾南迴到指令艙中。他們的工作持續了8個小時。

他們將生活用品和一些垃圾收集在一起用一個袋子裝著塞進登月艙，登月艙最後分離。指令服務艙繼續繞月球飛行，宇航員繼續觀察月球表面。又過了31小時，即137小時36分28秒服務艙發動機啟動，噴射164秒，進入返回地球的軌道。192小時3分23秒阿波羅10號飛船的指令艙再入大氣層，在很暗的天空劃出一道亮光，像流星一樣落回了地球，濺落在太平洋海域距薩摩阿群島690千米的地方，距預定濺落點相差僅6千米。這一次登月的模擬演習圓滿成功。

阿波羅10號的試驗檢驗了除登月外的一切登月飛行程式，是一次里程碑式的試驗。從上述的試驗結果表明，阿波羅10號實際上已具備了載人登月的能力。土星五號火箭已得到了充分驗證，阿波羅飛船也兩次進入月球軌道，登月艙效能和與飛船的分離、會合和對接試驗圓滿成功，下降發動機和上升發動機已兩次得到可靠驗證，因而登月目標已近實現，最後一步只差行動了。這個歷史性的時刻最終由阿波羅11號飛船來實現，它將以人類最偉大、最富創造性的一項成就而載入航天史冊。