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L'esplorazione della Luna è avvenuta sia attraverso sonde robotiche, sia direttamente tramite equipaggi umani. La prima missione per l'esplorazione della Luna è stata la sonda Luna 1 lanciata dall'Unione Sovietica nel 1959 nell'ambito del Programma Luna. La missione eseguì un sorvolo ravvicinato del satellite, ma "mancò" la superficie, obiettivo che venne raggiunto il 14 settembre 1959 dalla successiva Luna 2. Nell'ottobre del 1959 la sonda sovietica Luna 3 ottenne la prima immagine della faccia nascosta. Sempre all'Unione Sovietica spetta il primato del primo lander (Luna 9, 1966) e del primo orbiter (Luna 10, 1966). Gli Stati Uniti risposero con i Programmi Pioneer e Ranger e, grazie al Programma Apollo, riuscirono con l'Apollo 11 a compiere il 20 luglio 1969 il primo atterraggio umano sulla superficie della Luna. Durante le missioni Apollo furono raccolti e portati sulla Terra 381,7 kg di campioni del suolo e delle rocce lunari. Nonostante il successo delle missioni Apollo, l'interesse dell'opinione pubblica statunitense per l'esplorazione lunare calò notevolmente e ciò determinò l'interruzione anticipata del Programma Apollo e la cessazione di missioni dedicate esplicitamente all'esplorazione della Luna. Il processo di esplorazione è ripreso nel 1990 con la prima missione giapponese, Hiten, seguita nel 1994 dalla statunitense Clementine. Proprio l'individuazione di possibili tracce di ghiaccio d'acqua in prossimità dei poli lunari da parte di quest'ultima ha generato un rinnovato interesse per la Luna che negli anni duemila ha condotto al lancio di missioni lunari da parte delle agenzie spaziali statunitense, europea, giapponese, cinese ed indiana. La Cina, la Russia e gli Stati Uniti, inoltre, hanno reso noto di voler riportare un equipaggio umano sulla superficie lunare e di valutare l'opportunità di stabilirvi una base di ricerca permanente.

Con il termine allunaggio si intende la discesa di un veicolo sulla Luna: si distingue tra allunaggio duro, cioè un impatto che comporta la distruzione del veicolo, e allunaggio morbido, cioè l'impiego di razzi frenanti che permettono al veicolo di arrivare intatto sulla superficie lunare. Il programma Luna, partito nel 1959 con la sonda Luna 2, inviò il primo veicolo riuscito ad impattare con il satellite. Luna 9, il 3 febbraio 1966, eseguì il primo atterraggio morbido sulla Luna. Il primo allunaggio di un essere umano, il 20 luglio 1969, fu quello di Neil Armstrong, comandante della missione Apollo 11, e di Buzz Aldrin, mentre il loro compagno Michael Collins, rimasto in orbita, controllava il modulo di comando Columbia.

Gli insediamenti umani permanenti su corpi celesti diversi dalla Terra sono un tema ricorrente della fantascienza. Col progredire della tecnologia e col crescere dei dubbi sulla sostenibilità a lungo termine della crescita della popolazione umana, l'idea della colonizzazione della Luna o di altri pianeti per alcuni sembra essere un obiettivo fattibile e utile. Per via della sua vicinanza alla Terra e della sua geografia ben studiata, la Luna sembra essere il candidato ideale per una colonia umana nello spazio, tuttavia il programma Apollo, pur avendo dimostrato la fattibilità del viaggio, ha raffreddato gli entusiasmi per la realizzazione di una colonia lunare perché i campioni di roccia e sabbia riportati sulla Terra hanno dimostrato la quasi assenza sulla superficie lunare di quegli elementi chimici leggeri che sono essenziali per sostenere la vita. Alcune delle maggiori agenzie spaziali prevedono un ritorno sulla Luna con missioni umane attorno al 2030, tra queste la NASA nel 2024 con il programma Artemis e l'agenzia spaziale cinese in collaborazione con l'ESA e con Roscosmos.

Apollo 13 è stata una missione spaziale statunitense, parte del programma Apollo decollata l'11 aprile 1970 alle ore 13:13 CST dal Kennedy Space Center (Pad 39). Doveva essere la terza missione a sbarcare sulla Luna dopo quelle di Apollo 11 e Apollo 12, ma è diventata celebre per il guasto che impedì l'allunaggio e rese difficoltoso il rientro sulla Terra. Un'esplosione nel modulo di servizio danneggiò molti equipaggiamenti, riducendo notevolmente la disponibilità di energia elettrica e di ossigeno. Con il Modulo di Servizio seriamente danneggiato dall'esplosione, i tre astronauti furono costretti a trasferirsi nel Modulo Lunare "Aquarius", utilizzandolo come navicella per il ritorno anziché come mezzo per atterrare sulla Luna. Sfruttando una traiettoria di rientro libero attorno alla Luna volò a una distanza di 254 chilometri dalla superficie della faccia nascosta della Luna, stabilendo così il record, tutt'oggi detenuto, della massima distanza raggiunta da un essere umano dalla Terra: 400 171 km. Dopo avere affrontato numerose difficoltà la navicella rientrò sulla Terra il 17 aprile. Durante il rientro in atmosfera il blackout radio durò per 86 secondi più del previsto, uno dei blackout radio più lunghi del programma Apollo. Il ritorno, durato quattro giorni, fu freddo, scomodo e teso. La missione Apollo 13 è tuttavia servita per dimostrare la capacità del programma di affrontare situazioni di crisi imprevedibili, portando in salvo tutto l'equipaggio.

Il programma Apollo fu un programma spaziale statunitense che portò allo sbarco dei primi uomini sulla Luna. Concepito durante la presidenza di Dwight Eisenhower e condotto dalla NASA, Apollo iniziò veramente dopo che il presidente John Kennedy dichiarò, durante una sessione congiunta al Congresso avvenuta il 25 maggio 1961, obiettivo nazionale il far "atterrare un uomo sulla Luna" entro la fine del decennio. Questo obiettivo fu raggiunto durante la missione Apollo 11 quando, il 20 luglio 1969, gli astronauti Neil Armstrong e Buzz Aldrin sbarcarono sulla Luna, mentre Michael Collins rimase in orbita lunare. Apollo 11 fu seguita da ulteriori sei missioni, l'ultima nel dicembre 1972, che portarono un totale di dodici uomini a camminare sul nostro satellite naturale. Questi sono stati gli unici uomini a mettere piede su un altro corpo celeste. Il programma Apollo si svolse tra il 1961 e il 1975 e fu il terzo programma spaziale di voli umani (dopo Mercury e Gemini) sviluppato dall'agenzia spaziale civile degli Stati Uniti. Il programma utilizzò la navicella spaziale Apollo e il razzo vettore Saturn, successivamente utilizzati anche per il programma Skylab e per la missione congiunta americana-sovietica Apollo-Soyuz Test Project. Questi programmi successivi sono spesso considerati facenti parte delle missioni Apollo. Il corso del programma subì due lunghe sospensioni: la prima dopo che nel 1967 un incendio sulla rampa di lancio di Apollo 1, durante una simulazione, causò la morte degli astronauti Gus Grissom, Edward White e Roger Chaffee; la seconda dopo il viaggio verso la Luna di Apollo 13 nel 1970 durante il quale si verificò un'esplosione sul modulo di servizio che impedì agli astronauti la discesa sul nostro satellite e li costrinse ad un rischioso rientro sulla Terra. L'Apollo segnò alcune pietre miliari nella storia del volo spaziale umano che fino ad allora si era limitato a missioni in orbita terrestre bassa. Il programma stimolò progressi in molti settori delle scienze e delle tecnologie, tra cui avionica, informatica e telecomunicazioni. Molti oggetti e manufatti del programma sono esposti in luoghi e musei di tutto il mondo ed in particolare presso il National Air and Space Museum di Washington.