Apollo 9 begann ihren Weg in die Erdumlaufbahn von Cape Canaveral. Die Wasserung des Raumschiffs erfolgte in unmittelbarer Nähe der Bermuda-Inseln im Atlantik. Der Start war zunächst für den 23. Februar 1969 vorgesehen gewesen. Zunächst wegen technischer Schwierigkeiten in der Bodenkontrolle und dann wegen einer Erkältung der Astronauten wurde der Start aber auf Drängen der Ärzte auf den 03. März 1969 neu festgesetzt.

Das Command Module (CM) hatte einen Basisdurchmesser von 3,91 m und eine Höhe von 3,48 m. Die Masse der Kapsel unterschied sich je nach Mission geringfügig voneinander und betrug zwischen 5.569 kg und 5.840 kg.
Die Kommandokapsel bestand aus zwei ineinander verschachtelten Hüllen, der inneren Druckkabine und dem äußeren Hitzeschild. Die Bauteile wurden nach besonderen Verfahren verschweißt, um der Konstruktion eine möglichst hohe Stabilität bei gleichzeitiger Elastizität zu geben.
In der Mannschaftskabine befanden sich drei Liegesitze und alle wesentlichen Steuerungs- und Überwachungsanlagen. Die Liegesitze waren mit Stoßdämpfern versehen, um die Astronauten bei einer eventuellen Landung auf dem Erdboden vor Verletzungen zu bewahren.
Der Hitzeschild umgab die gesamte Kapsel, um bei der Abbremsung in der Erdatmosphäre von etwa 40.000 km/h auf wenige hundert km/h die auftretende Hitze von bis zu 3.000 Grad Celsius nicht in die Kabine eindringen zu lassen. Der Hitzeschild bestand aus rostfreiem Stahl und einem darüber befindlichen abschmelzbaren Kunststoff. An der Unterseite des CM war er besonders dick ausgeführt.
Die Isolierung des Innenraumes vor großer Hitze war durch die Luke, vier Fenster und zwei Öffnungen für astronomische Sextanten besonders schwierig. Der Hitzeschutzschild am oberen Teil des Konus, also im Bereich des Umstiegstunnels, wurde kurz vor der Landung abgesprengt, um die Behälter für die Fallschirme freizugeben.
Die Anordnung der Instrumentengruppen zwischen Außenwand und Druckkabine gewährleistete einen zusätzlichen Strahlenschutz. Ebenso konnten Mikrometeoriten durch diese Konstruktion aufgehalten werden.
Der Schwerpunkt der Kapsel war von der Symmetrieachse versetzt, um beim Eintritt in die Erdatmosphäre den korrekten Anstellwinkel zu erreichen. Durch Drehen der Kapsel um die Längsachse konnte die Richtung des Auftriebsvektors während des Fluges durch die höheren Luftschichten geändert und damit der Landeplatz in Grenzen verändert werden.
Mit dem Lebenserhaltungssystem (LSS) wurde der Innenraum mit Sauerstoff, verträglichen Temperaturen sowie dem korrekten Luftdruck und Feuchtigkeit versorgt. Es wurde eine reine Sauerstoffatmosphäre mit einem Druck von 353 hPa verwendet.
Der Lebensmittelvorrat bestand aus bis zu 60 teils individuell zusammengestellten Menüs. Jeder Astronaut erhielt täglich eine Ration von 635 Gramm mit etwa 2.800 Kalorien. Diese bestanden zu 20 % aus Proteinen, 62 % Kohlenhydraten und 18 % Fett.
Zur Hygiene dienten feuchte Tücher. Der Urin wurde über Bord gepumpt, während die festen Abfallstoffe gesammelt wurden.
Die Bordapotheke umfasste verschiedene Spritzen, Antibiotika und verschiedene Medikamente. Darunter befanden sich 72 Aspirin, 21 Schlaftabletten, Augentropfen, Nasenspray, Verbandsstoffe und Fieberthermometer.
In zwei Rucksäcken war ein Überlebenspaket für Landungen fernab der vorgesehenen Zielgebiete untergebracht. Sie enthielten Signallampen, Notsender, Batterien, Messer, Wasserflaschen, Sonnenbrillen, Sonnencreme, ein Schlauchboot, Markierungssysteme, Anker und Notrationen. Im Notfall wäre damit eine zweitägige Suche der Astronauten im geografischen Bereich zwischen 40 Grad Süd und 40 Grad Nord abgedeckt gewesen.
Das Steuerungs- und Navigationssystem bestand aus einem Trägheits-Kreiselsystem, das mit einem Sextanten, einem Teleskop und einem Fotometer zur Horizontsuche gekoppelt war. Damit konnten die Astronauten die Position des Raumschiffs, seine Geschwindigkeit und die Beschleunigungswerte feststellen. Der Bordrechner hatte zwar im Vergleich zu heutigen Rechnern nur das Niveau hochwertiger Taschenrechner, war aber zur Ermittlung der Flugbahn oder -lage und eventuell notwendiger Korrekturen ausreichend. Die Anlage zur Stabilisierung und Überwachung der Fluglage bestand aus zwei Fluglage-Messgeräten, vier Anzeigetafeln, vier Handsteuerungsknüppeln und fünf elektronischen Kontrollbaugruppen.
Zur Änderung der Fluglage dienten die Triebwerke des Reaction Control System (RCS). Durch die Aktivierung bestimmter Düsenpaare konnte das Raumschiff um alle drei Achsen gedreht werden.
Der Sprechfunkverkehr und die Digitaldaten wurden auf der Erde über einen S-Band-Transponder empfangen, der auf einer Frequenz von 2.287,5 MHz arbeitete.
Die Stromversorgung wurde durch drei Brennstoffzellen gewährleistet, bei denen als Nebenprodukt Trinkwasser abfiel. Eine Brennstoffzelle lieferte zwischen 563 und maximal 2.295 Watt elektrische Leistung. Die Ausgangsspannung lag bei 29 Volt. Zur Versorgung des CM während der Landung standen drei chemische Batterien zur Verfügung.
Die Kommandokapsel und die Mondlandefähre waren durch einen Kopplungsmechanismus miteinander verbunden (ab Apollo 9). Er bestand aus einem Kopplungstrichter an der Landefähre, in den ein Führungsstab eingeführt werden musste. Stoßdämpfer und Gelenke zum Ausgleich seitlicher Bewegungen sowie 12 Verschlussbolzen und verschiedene Dichtungen sorgten für eine sichere Verbindung. Nach Herstellen der sicheren Verbindung wurde das Führungselement aus dem Tunnel entfernt.
Kurz vor der Wasserung - etwa in 15 km Höhe - wurde der Kegel am spitzen Ende des CM abgesprengt, um die Fallschirme freizugeben. In 7.600 m Höhe wurden zuerst zwei Stabilisierungsfallschirme mit je 4 m Durchmesser ausgestoßen. Nach deren Abwurf wurden in 4.600 m Höhe drei Hilfsschirme von je 3 Meter Durchmesser freigesetzt, die die drei Hauptfallschirme mit je einem Durchmesser von 25,4 m herauszogen. Bereits mit zwei Hauptschirmen war eine sichere Landung möglich.

Das Service Module (SM) befand sich direkt hinter der Kommandokapsel und diente der Unterbringung wichtiger Systeme. Dazu gehörten die Lageregelungs-Triebwerke (RCS), das Haupttriebwerk (Service Propulsion System = SPS), die Treibstoffe, die Druckgasförderung (Helium), das Lebenserhaltungs- und Energieversorgungssystem und der Wasservorrat.
Das Gehäuse hatte die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 3,91 m bei einer Höhe von 3,94 m. Mit der SPS-Düse und dem oberen Radiator ergab sich eine Gesamthöhe von 7,49 m. Die Masse betrug zwischen 8.949 kg (bei Apollo 7) und 24.514 kg (bei Apollo 16).
Das SM war aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und in sechs Sektionen aufgeteilt, die um einen zentralen Helium-Druckgasbehälter angeordnet waren. Die Sektoren 2, 3, 5 und 6 enthielten Treibstoff und Oxidator für das Haupttriebwerk SPS. In Sektor 4 waren die Brennstoffzellen sowie der Sauerstoff- und Wasserstoffvorrat untergebracht. Sektor 1 war zunächst leer und wurde bei den Flügen Apollo 15, 16 und 17 als SIM-Bay (Scientific Instrument Module) genutzt und enthielt verschiedene wissenschaftliche Geräte zur Monderkundung. Die Verkleidung dieses Sektors wurde im Flugverlauf abgeworfen, sodass auf dem Rückflug zur Erde ein Astronaut per Außenbordeinsatz die dort befindlichen Filmkassetten bergen konnte.
Das RCS-Steuerungssystem bestand aus 16 Triebwerken mit je etwa 440 N Schub, die zu je vier unabhängigen Gruppen im Abstand von 90 Grad zusammengefasst waren. Jedes dieser Hydrazin-Triebwerke hatte eine Masse von 2,3 kg, einen Durchmesser von 14 cm und eine Länge von 35 cm.
Wichtiger war jedoch das SPS mit einer Länge von 2,6 m. Dieses Haupttriebwerk lieferte einen Vakuumschub von 98 kN und brannte bis zu 10,5 Minuten. Das SPS musste in hohem Grad zuverlässig sein, da nur mit diesem Triebwerk das Verlassen des Mondorbits möglich war. Der Schwenkmechanismus des SPS bestand aus Elektromotoren, Zahnrad-Getrieben und magnetischen Kupplungen.

Das Lunar Module (LM) war zweiteilig. Da das LM nur im Weltraum einsetzbar war, musste auf aerodynamische Aspekte keine Rücksicht genommen werden. So entstand ein asymmetrisches, spinnenartiges Fluggerät. Es hatte eine Gesamthöhe von etwa 7 m und der Durchmesser des Hauptkörpers betrug 4,3 m. Während des Landevorganges bildeten die Descent Stage (DS), also die Landestufe, und die Ascent Stage (AS), die Startstufe, eine Einheit.
Die Landestufe war der untere Teil der Mondlandefähre. An den vier Enden des kreuzförmigen Grundrisses waren die Landebeine montiert. Diese waren so konstruiert, dass sie während des Fluges zum Mond eingeklappt waren und erst vor Beginn des Landeanfluges in ihre Landeposition ausgeklappt wurden. Auf dem Bein vor der Ausstiegsluke war eine Plattform montiert, an die sich eine Leiter anschloss. Am Ende jedes Landebeines befanden sich Füße mit einem Durchmesser von 0,95 m. An deren unterem Ende waren Bodenfühler angebracht, die beim Berühren der Mondoberfläche das Landetriebwerk abschalteten.
In der Mitte des unteren Endes der Landestufe war das DPS-Landetriebwerk montiert. Die Treibstoffbehälter, das Landeradar und die Batterien waren kreisförmig um das Landetriebwerk angeordnet. Das Landetriebwerk war im Bereich von 4,7 bis 28 kN automatisch oder manuell regulierbar. Die kardanische Aufhängung erlaubte Schwenks von bis zu 6 Grad. Die maximale Brenndauer betrug etwa 910 Sekunden. Der Treibstoff war in vier Behältern von 1,8 Kubikmetern untergebracht.
In der MESA-Bucht (Modularized Equipment Storage Assembly) wurde die wissenschaftliche Ausrüstung und bei den späteren Mondlandungen das Lunar Rover Vehicle (LRV) untergebracht. In den anderen Buchten befanden sich die Tanks für Sauerstoff und Kühlwasser.
Zur Temperaturregulierung und zum Schutz vor Mikrometeoriten war die gesamte Landestufe mit einer goldfarbenen Schutzfolie eingehüllt.
Die Versorgung mit elektrischer Energie wurde durch Silber-Zink-Batterien gewährleistet. Sie hatten eine Kapazität von je 400 Ah und wogen jeweils etwa 57 kg.
Die Aufstiegsstufe AS war aus Aluminium und Titan gefertigt. Sie bestand aus drei Teilen: der Pilotenkabine, dem Mittelteil und dem Ausrüstungsraum. Die beiden erstgenannten Teile standen unter einem Druck von 353 hPa.
Die Pilotenkabine im vorderen Teil hatte einen zylindrischen Querschnitt von 2,35 m Durchmesser und 1 m Tiefe. Hier standen die Astronauten während der Landung und des Rückstarts angeschnallt vor den Instrumentenkonsolen. Darüber befanden sich zwei dreieckige Fenster. Im unteren Teil war die Ausstiegsluke angebracht. Über dem links stehenden Astronauten war im Dach ein weiteres Fenster eingelassen. Es wurde in erster Linie für das Rendezvous mit dem Mutterschiff genutzt. Unter den Konsolen befanden sich Behälter für Lebensmittel und Abfall.
Der hintere Teil der Druckkabine war etwa 2 m lang, 1,5 m hoch und hatte einen leicht elliptischen Querschnitt. Er diente den Astronauten als Schlaf- und Aufenthaltsraum. Für die Schlafperioden legten sie sich in Hängematten.
In der Decke des hinteren Teils befand sich der Umstiegstunnel mit 0,81 m Durchmesser und einer Länge von 0,40 m. Die zweiköpfige Besatzung der Mondlandefähre gelangte durch diesen Tunnel im Kopplungsstutzen der Fähre und der Apollo-Kapsel in das LM.
Das Lebenserhaltungssystem (LSS) war in der hinteren Wand der Pilotenkabine untergebracht und bestand aus vier Komponenten: dem Revitalisierungsgerät, dem Wärmeaustauscher, dem Sauerstoffkreislauf und dem Wasserkreislauf.
Das in den Boden eingelassene Aufstiegstriebwerk entwickelte einen konstanten Schub von 15,6 kN und war nicht regelbar. Der Treibstoff wurde in zwei Behältern von 1 Kubikmeter Rauminhalt gelagert und mit Heliumdruckgas gefördert. Für das Aufstiegstriebwerk gab es keinen Ersatz, sodass die Astronauten auf dessen fehlerfreies Funktionieren angewiesen waren.
Zur Regulierung der Fluglage waren vier Vierergruppen von RCS-Triebwerken zuständig.
Der Sprechfunkverkehr mit der Erde wurde im S-Band abgewickelt. Die Verbindung mit dem im Mondorbit befindlichen CSM erfolgte im VHF-Bereich. Während des Aufenthaltes auf der Mondoberfläche fand die Kommunikation mit dem LM im UHF-Bereich statt. Insgesamt standen zwei S-Band- und zwei VHF/UHF-Sende- und Empfangsanlagen zur Verfügung. Neben zwei S-Band-Antennen, vier C-Band-Antennen, 2 VHF-Antennen und 2 UHF/VHF-Antennen wurde ab Apollo 12 eine steuerbare 66-cm-Parabolantenne genutzt.
Zur Stromversorgung waren in der Aufstiegsstufe zwei Batterien von je 296 Ah untergebracht. Davon hätte im Notfall eine für den Rückstart und das Rendezvous ausgereicht.

Diese und alle folgenden Apollo-Crews erhielten erstmals seit Gemini 3 wieder die Erlaubnis, den Raumschiffen Namen zu geben. Das Mondlandemodul wurde in diesem Fall "Spider" (Spinne) genannt und die Kommandokapsel "Gumdrop" (Gummidrops), weil es bei der Anlieferung auf dem KSC in blauem Zellophan eingehüllt war.

Bei Apollo 9 erfolgte der erste komplette Einsatz der Mondlandehardware im Erdorbit und es wurde der erste Erprobungsflug der Mondlandefähre in der Erdumlaufbahn (Abkopplung, Abstiegsmanöver, Ankopplung).

Vor einem bemannten Test in der Mondumlaufbahn während der Mission von Apollo 10 sollten das LM und insbesondere die Flugmanöver in der Erdumlaufbahn getestet werden.

Nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn wurden alle Manöver durchgeführt, wie sie für die reale Mondlandung von Apollo 11 geplant waren. Zu diesem Zeitpunkt steckte die Mondlandefähre noch in der dritten Stufe der Saturn-Rakete. Die Spitze bildete die Einheit aus dem Apollo-Servicemodul und der Kommandokapsel (CSM). Das CSM löste sich von der Raketenstufe, wendete um 180 Grad und dockte mit der Nase an der Mondlandefähre (LM) an. Nun konnte sich der Verbund von der Raketenstufe entfernen. Drei Stunden nach dem Start war dieses Manöver beendet. In der Folgezeit wurde das Triebwerk des CSM mehrfach gezündet. Dies brachte das Gespann Apollo-LM in eine sichere Entfernung von der dritten Stufe der Saturn-Rakete und zugleich wurde die Stabilität der beiden Raumfahrzeuge in angekoppeltem Zustand getestet. Das Apogäum war damit von 357 km auf 709 km angehoben worden. Dies verbesserte die Kommunikationsmöglichkeiten und die Lichtverhältnisse wurden ebenfalls verbessert.

Am dritten Flugtag, dem 05. März 1969, stiegen zuerst Russell Schweickart, dann James McDivitt von der Apollo-Kommandokapsel in die Mondfähre um. Das war das erste Mal, dass Raumfahrer sich durch einen Tunnel von einem Raumfahrzeug in ein anderes bewegten. Russell Schweickart litt zu dieser Zeit unter der Raumkrankheit, sodass das Programm gekürzt werden musste. Allerdings gab es noch die erste Fernsehübertragung aus dem Innern der Landefähre. Schließlich wurde noch das Triebwerk der Landefähre getestet. Ohne die beiden Raumfahrzeuge zu trennen, lief das Triebwerk sechs Minuten lang. Nachdem die Systeme der Mondlandefähre wieder heruntergefahren waren, stiegen James McDivitt und Russell Schweickart zurück in das Apollo-Mutterschiff zu David Scott.

Eine EVA erfolgte am 06. März 1969 durch Russell Schweickart (0h 46m), der dabei den neuen Raumanzug der NASA ausprobierte. Dieser Anzug hatte sein eigenes Lebenserhaltungssystem, sodass Russell Schweickart nur mit einem 25 Fuß (7,62 Meter) langen Nylonseil mit dem Raumschiff verbunden war, das sein Abdriften ins All verhinderte. Er öffnete die Tür des LM und stieg hinaus auf die Plattform oberhalb des eines Landebeines. In den dortigen Fußhalterungen konnte er sich für Foto- und Filmarbeiten fest verankern. Ursprünglich war geplant, dass er sich bis zur Luke der Kommandokapsel hätte hangeln sollen, um den Umstieg im freien Weltraum zu simulieren. Im Hinblick auf Russell Schweickarts Unwohlsein am Vortrag, wurde dieser Teil jedoch gestrichen und die EVA entsprechend gekürzt. David Scott hatte zwischenzeitlich die Luke des Apollo-Raumschiffs geöffnet und filmte ihn dabei in einer Stand-up EVA (0h 46m).

Am 07. März 1969 simulierten James McDivitt und Russell Schweickart mit dem Landemodul den Abstieg zum Mond. Zunächst wurde das Landemodul vom Raumschiff abgekoppelt. Durch Feuern der Steuerdüsen entfernten sich die beiden Raumschiffe auf 5,5 km. Dann begannen James McDivitt und Russell Schweickart einen geplanten Abstieg zum Mond durch Zünden des Antriebs des Landemoduls zu simulieren, der sie bis auf 183,5 km weg vom Mutterschiff brachte. Nach der Abtrennung des Landemoduls kehrten sie mit Hilfe des Antriebs des Aufstiegsmoduls wieder zurück und nach 6,5 Stunden dockten sie wieder am Mutterschiff an. Das Aufstiegsmodul der Landefähre wurde ebenfalls abgeworfen. Das Triebwerk des Aufstiegsmoduls wurde nach dem Umstieg der Astronauten bis zum Verbrauch des Treibstoffs erneut gezündet und erreichte dadurch eine Umlaufbahn von 235 x 6.965 km. Es verglühte erst am 23. Oktober 1981. Mit dem langen Brennen des Aufstiegstriebwerks war auch der Start von der Mondoberfläche relativ naturgetreu simuliert worden und der Generalprobe für die Mondlandung mit der nächsten Mission, Apollo 10, stand somit nichts mehr im Wege.

Zu den weiteren wissenschaftlichen Arbeiten gehörte u.a. das Fotografieren der Erdoberfläche. Ausgewählte Gebiete der Erdoberfläche wurden in vier verschiedenen Wellenlängen fotografiert. Die Wissenschaftler erhofften sich von diesen "Falschfarbenfotos" Aufschlüsse über Ernteerträge, Bodenschätze, Wasserstände und Schädlingsbefall. Abgerundet wurde das Flugprogramm durch medizinische Untersuchungen. Über Sensoren wurden die Herzfrequenz und die Körpertemperatur gemessen und übermittelt oder aufgezeichnet. Die Mission erwies sich als voller Erfolg, alle geplanten Arbeiten und Tests wurden erfolgreich ausgeführt.

Aufgrund schlechten Wetters im vorgesehenen Zielgebiet wurde die Mission um einen Erdumlauf verlängert und das Landegebiet 800 km nach Südosten verlegt. Für das Bremsmanöver wurde das CSM gegen die Flugrichtung gedreht und das SPS-Triebwerk des Apollo-Raumschiffs zündete. Danach wurde das CSM um 45 Grad gedreht und die Kommandokapsel wurde von der Gerätesektion getrennt. Die Crew wurde vom Flugzeugträger USS Guadalcanal geborgen.