Am 21. Mai erreichte das Apollo-Raumschiff "Charlie Brown" mit der angedockten Landefähre "Snoopy" den Mond. Wie bei Apollo 8 befand sich Apollo 10 bei den ersten zwei Umrundungen in einer elliptischen Bahn, nachdem das Triebwerk zur Abbremsung auf der Rückseite des Mondes gezündet wurde. Nach einem zweiten Bremsmanöver trat das Raumschiff dann in eine kreisrunde Umlaufbahn in 112 Kilometer Höhe ein.

Einen Tag später trennte sich dann die Mondfähre mit Stafford und Cernan für acht Stunden vom Mutterschiff. Auch dieses Manöver fand auf der Rückseite des Mondes statt, so dass es zu diesem Zeitpunkt keinen Funkkontakt mit der Flugleitung gab. Erst drei Minuten später erfuhr Houston, dass das Manöver gelungen war. Dann wurde das Landetriebwerk der Fähre für 28 Sekunden gezündet, um sich auf einer elliptischen Bahn bis auf 15 Kilometer der Mondoberfläche zu nähern.
4 Stunden und 34 Minuten, nachdem sich die Mondfähre vom Mutterschiff gelöst hatte - während des zweiten Anflugs zum Landeplatz Nr. 1 für Apollo 11 - schrie Cernan plötzlich erschreckt auf: "Wir torkeln durch den ganzen Himmel". Die Fähre begann plötzlich aus unerklärlichen Gründen unkontrollierte Bewegungen zu machen. Daraufhin schaltete Cernan die Computersteuerung aus und übernahm die manuelle Steuerung. Es dauerte nicht lange und er hatte das Fahrzeug wieder unter Kontrolle. Nach der zweiten Umrundung des Mondes wurde das untere Teil der Mondfähre, das bei den zukünftigen Mondlandungen unter anderem als Startplattform dient, abgestossen. Danach folgte die Annäherung zum Mutterschiff, die Ankopplung und der Umstieg der beiden Astronauten ins Kommandomodul. Schliesslich wurde das Oberteil der Landefähre abgestossen und mit der Zündung des Haupttriebwerkes begann der Rückflug zur Erde. Am 26.Mai 1969 wasserte Apollo 10 im Pazifischen Ozean.