1959年12月，“土星一号”结构获批准进行生产。从1961年开始，在多次实验发射中，取得了空前的成绩——所有实验飞行百分之百成功。这表明这种火箭已具有高度的可靠性了。在这以后，冯·布劳恩又研制出新一代的“土星1B”，其工作性能经多次实验也都被称为“完美无瑕”。1962年1月，“土星5号”研制计划被批准，其性能更为先进和可靠。后来它在充当“阿波罗”8-17号飞船运载火箭的过程中，性能几乎都表现得十分完美，在保证历次飞行的成功方面做出了重要的贡献。“土星号”的研制成功，充分显示了冯·布劳恩的杰出才能。而有了“土星号”这样的巨型运载火箭，冯·布劳恩对月球甚至火星进行载从探险的幻想就都有可能实现了。
1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林乘坐“东方一号”宇宙飞船进入地球轨道，从而成为世界上第一个进入太空的人。美国公众再次大哗，对美国在空间竞赛中的落后深为不满。5月25日，美国总统肯尼迪对国会发表讲话，宣称“现在是美国在空间成就方面取得明显领先地位的时候了”，保证“在这个十年内”美国将把一个人送上月球，从而正式宣布了“阿波罗登月计划”。这一计划虽然在很大程度上是出于政治需要，但它却动员起了美国雄厚的财政、科技和工业等力量，成为继研制原子弹的“曼哈顿”计划之后的又一空前规模的科技工程。全权负责研制火箭运载系统并分管这一登月工程的冯·布劳恩全力投入了这一庞大的计划之中。
1969年7月15日晚，一向从容不迫的冯·布劳恩回到自己房间休息时，显得与往常大不相同。他心不在焉地处理完例行事务之后，只穿着衬衫，盘腿坐在地板上，出神地望着窗外佛罗里达湿热而漆黑的夜晚。很久以后他才上床，将两只手交叉垫在头下，闭着双眼做起祈祷来，神态谦恭而认真。但是他一夜依然是无法入睡。第2天天没亮他就起了床，因为他的心思早已飞到几英里外的卡纳维拉尔角去了。在那里，由冯·布劳恩和政府与工业界的15万名工程师、科学家设计和研制的，由8000家美国公司制造的零件组装起来的363英尺高，640万磅重的巨型“土星号”月球火箭已经竖立在发射架上。人类历史上最富有划时代意义的巨大冒险——载人登月飞行，就要开始了。
7月16日这天一早，肯尼迪航天中心就已聚集了大群的人。在离发射场外约4英里处的看台上，包括美国前总统林登·B·约翰逊、206名众议员、30名参议员、19名州长，49名市长，联邦最高法院的法官和政府的部长以及69名大使和102名外国科学使节和武官等贵宾早已就坐。
来自全世界的大约3000名记者和成千上万的普通公民也在翘首以待。
3名宇航员走下高高的人行栈桥，进入火箭顶端的指挥舱。控制室里的气氛更加紧张，这时离发动只剩几分钟了。
坐在中心控制室里的冯·布劳恩戴上收送话器，同时仔细审视着高挂在他面前墙壁上的几个电视屏幕和他眼前控制台上的刻度表。虽然“土星号”历次发射工作性能都是完美无瑕的，但这一次毕竟是载人飞行，责任重大。它不仅要一直飞上月面，而且还要安全返回地球。整个任务中只要有一丁点儿疏忽，结果都是不堪设想的。难怪冯·布劳恩也抑制不住他紧张的心情了。
最后的倒计数开始了。“10……9……8……发射！”“土星号”第一级的5台发动机刹时间以760万磅的推力猛烈地冲击着发射台。这一推力相当于1.8亿匹马力，或者说相当于北美洲全部河流发电总量的两倍，每秒钟消耗的液体燃料就达3500加仑！
巨大的飞船徐徐上升，然后速度越来越快，渐渐就冲进了云层。消失在人们的视野之外。监视系统的信号表明，飞船一切运行正常。冯·布劳恩才稍稍放下心来。
在这以后的三天里，全世界都在焦急地注视着阿姆斯特朗、奥尔德林和科林斯这三名宇航员危险而漫长的月球旅行。
7月20日下午4时19分，“这里是静海基地，‘鹰’号已经着陆。”阿姆斯特朗的声音穿过遥远的太空送入地球，安装在“鹰”号登月轮外面的电视摄影机向地球上亿万守候在电视机前的人们证实了这一千真万确的事实：人类终于到达了月球！
在肯尼迪指挥中心里的人们脸上都露出了笑容。突然间，坐在控制台后面的每一个人都拿出一面小小的美国国旗，许多人的眼睛湿润了。
1969年7月20日美国东部夏令时间下午10时56分，尼尔·阿姆斯特朗站在登月舱弦梯最下面的一级上，伸出他的靴子，在月球上踩出了第一个人类的脚印。它同时表明，地球人类在征服宇宙的进程中也迈出了历史性的一步。
全球亿万电视观众注视着所有发生的这一切，整个美国的一切活动都停止了。作为一项对于整个人类都具有重大意义的事业，它甚至超越了当时严格的意识形态的沟壑。在南斯拉夫、捷克斯洛伐克、波兰等地的人们都为这一人类壮举而庆祝和祈祷。美国总统尼克松说：“这是自上帝创世以来世界历史上最伟大的一星期。”
早在1951年，在一篇提交给斯图加特国际航天联合会的论文中，冯·布劳恩充满激情地写道：“航天旅行最有意义的使命是：将来有一天，我们的卫星飞船绕着地球转；轨道站上的人可以看到，在布满繁星的无限黑暗之中，我们的行星只不过是许多行星中的一个；到了那一天，我说，在我们居住的星球上将不会再发生自相残杀的战争。整个地球上的人都把眼光转向太空，以热切的心情去从事新冒险家进入最深空的事业。那时候，人类将准备进入漫长的、迄今只是在地球上的历史的第二阶段——宇宙时代。”现在，冯·布劳恩的这一思想似乎正在阿波罗登月工程这一壮举中全人类所表现出的对和平和进步的认同与渴望中体现出来。
冯·布劳恩对阿波罗登月计划的圆满成功所做出的贡献得到了人们的高度评价。其中也许最有意义的就是首次登上月球的3名美国宇航员在赠给冯·布劳恩的一本书的扉页上的题字了：“献给韦纳：是您的主张和预言、您的宣言和研究、您的扶持和促进，使我们捷足先登月球。”在这次阿波罗登月计划完成以后不久，1970年2月，冯·布劳恩从亨茨维尔火箭基地调到华盛顿，被任命为国家航空航天局代助理局长，在总部负责制定未来的计划。但是，在登月取得巨大成功以后，正在为越南战争和国内问题烦燥不安的美国政府和国会就再也不愿意为以后大型的航天计划拨款了。冯·布劳恩精心设计了很久的超级阿波罗计划——载人火星计划被迫搁浅。不仅如此，由于拨款大为减少，一些发射计划，如“阿波罗18号”、“阿波罗19号”将被缩减，某些研究中心将被迫关闭，国家航空航天局的工作人员必将在一年内裁员5万人之多。对此冯·布劳恩颇显得有些心灰意懒。但是不久他还是开始着手开展剩下的两项大型计划的研制工作——完成天空实验室航天站和复用航天飞机。
主持航天
天空实验室航天站一直是冯·布劳恩最喜欢的计划之一。实际上，和冯·布劳恩长期共事的阿图积·鲁道夫说：“30年代，在库默斯多夫军官俱乐部——冯·布劳恩住的地方，他就已经在不只一个晚上谈到这种宇宙飞行的设想了。”1952年3月22日，冯·布劳恩在他发表于《柯里尔》杂志上的一篇文章中，对建立航天站所需的技术就已经进行过仔细的估计，并设计出了基本构想的蓝图。在“水星”计划结束，“双子星座号”飞行已经为载人宇宙飞行积累了不少经验的时候，有关天空实验室航天站的具体计划和初期设计工作便正式启动。“土星号”计划开始以后，这一计划也随之发展，而阿波罗飞行又为形成实验室飞行任务的许多方面提供了重大帮助。
天空实验室计划的内容比以往任何其它航天计划都要丰富，它包括有多种相当复杂的任务，如宇航员最长时间的失重、载人操作的高级太阳观测台、一系列工程任务、天空实验室内部的科学实验、对地球的观测、宇航员进行的生物医学研究和对宇航员进行的生物医学研究。天空实验室在它8个月的使用期中，将支持270多项不同的科学和技术调查的进行。
天空实验室的主要目的是要使宇宙飞行为人类在地球上的努力服务。它将把阿波罗计划期间发展起来的知识、经验和技术系统广泛地应用于科学和技术训练，把宇宙飞行实际应用于地球上的需要。这些需要遍及人类活动的广泛领域，包括扩大我们在物理学和天文学方面的科学知识、我们的天体环境研究、加工和生产新材料、对地球表面进行观察和监视、对长期失重状况下的活的生物体，包括人在内，进行研究等等。
1972年5月14日美国成功地发射了天空实验室航天站。虽然它一度曾出现过一些故障，但很快就被赶来的宇航员修理小组修复。到1972年年底，天空实验室已经绕地球飞行3350多圈，先后有三组每组三人的宇航员在里面工作过。总的看来，天空实验室航天站计划取得了极大的成功。正如一位专家所说的，单是在太阳研究这一方面，地球上的科学家们所得到的材料就是“车载斗量”的。它在其它某些新兴科学领域，如失重加工和制造、新药品的合成等方面以及对人在持久失重状态下的医学研究等方面提供了大量宝贵的资料和数据。而且它也最终证明了，将来建造一座永久性的航天站不仅是完全可能的，而且是具有很高实用价值的。
在天空实验室计划正在顺利执行的时候，冯·布劳恩又开始对预算惊人的复用航天飞机的设计进行深入研究。当时，国家航空航天局的设计人员所设想的航天飞机，是由两艘互相重叠的有翼飞船组成的。比较大的一艘包括助推器部分，驮在上面的比较小的一艘用作载人轨道飞行器。这两级都可以靠滑翔回到飞机场上，供下次再用。但是布劳恩认为，这样设计的航天飞机预算太过庞大，会挤掉其它许多有益的航天科学计划和航天应用计划，所以他与一些科学家和工业公司密切合作，对设计进行了新的重大改进。一个月以后，冯·布劳恩就提出了一种新的大大简化的航天飞机构型，其研制成本从原来的100亿美元一下子降为50亿美元，节约了一半的研制经费。1972年1月5日，尼克松总统宣布，国家航空航天局将研制一种低成本的复用航天飞机，从而最后批准了这一新的设计方案。此后不久，最初的研制工作就开始了。
1972年6月10日，冯·布劳恩突然宣布辞去国家航空航天局代理局长职务。此时冯·布劳恩已经60岁了，但却还远未达到65岁的法定退休年龄。冯·布劳恩之所以辞职，是因为他当时认为，在政府中已没有什么大规模的工作可做了。载人火星计划被搁置了，阿波罗登月计划正接近尾声，天空实验室计划正在顺利实行，他也已经完成了航天飞机的重新构型任务，因此冯·布劳恩认为他对国家航空航天局已无多大用处了。所以冯·布劳恩退出了政府机构，试图在私人公司中再寻求新的发展天地。同年7月，冯·布劳恩即受聘就任美国一家著名的私人航空公司费尔柴尔德公司负责工程和发展的副总经理。在他生命的最后几年里，冯·布劳恩在费尔柴尔德公司为直接电视广播卫星的研制和应用倾注了大量的心血。1977年6月，冯·布劳恩终因肠癌不治在华盛顿亚历山大医院病逝，终年仅65岁。十分可惜的是，当由他手里发端的航天飞机于1981年4月首次试飞成功时，冯·布劳恩已经离开了人世，没能亲眼见到这一天的到来。