A comienzos de los años 1960, la Unión Soviética lideraba la carrera espacial contra los Estados Unidos. En 1957, los soviéticos lanzaron el Sputnik 1, el primer satélite artificial. Y el 12 de abril de 1961, Yuri Gagarin fue la primera persona en viajar al espacio.

El 25 de mayo de 1961, el Presidente Kennedy anunció que el país intentaría enviar un hombre a la Luna antes del final de la década. En ese momento, la única experiencia que Estados Unidos tenía con el vuelo espacial tripulado eran los 15 minutos de Alan Shepard en el vuelo suborbital del Freedom 7. Ningún cohete del mundo podría lanzar un vehículo espacial a la Luna en una pieza. El Saturno I fue desarrollado pero, incluso sin volar, y debido a su pequeño tamaño, habría que realizar varios lanzamientos para situar todos los componentes de la supuesta nave lunar.

En un comienzo, la NASA tenía tres ideas principales para la misión:

• El encuentro en órbita terrestre (o EOR en inglés). Era una idea original de Von Braun y consistía en usar una serie de pequeños cohetes (la mitad del Saturno V) para ir poniendo en órbita sobre la Tierra las diferentes partes del vehículo lunar. Fue desestimado debido al poco tiempo que tenían para experimentar con objetos en el espacio y sus encuentros, y no se conocía si la nave podría ser montada.

• El ascenso directo o DA, proponía usar un cohete llamado Nova que se dirigiera directamente a la Luna, que aterrizase y luego fuera de nuevo lanzado hasta la Tierra. La idea fue rechazada ya que requería un cohete de un tamaño superior al Saturno V y era imposible que aterrizase para después despegar.

• El encuentro el órbita lunar (o LOR), que consistía en transportar la nave hasta la Luna, y parte de ella aterrizaría en la superficie lunar, la otra se mantendría en órbita lunar para regresar a la Tierra.

Aunque la NASA rechazó la idea de LOR, fue finalmente la solución escogida ya que era el método más rápido y sencillo para alcanzar la meta que propuso Kennedy.

Entre 1960 y 1962 el Marshall Space Flight Center (MSFC) diseñó los cohetes que serían usados para varias misiones, comenzando por el C-1, que más tarde se transformó en el Saturno I. El cohete C-2 no llegó muy lejos en su diseño antes de que el MSFC lo abandonase a favor del C-3, que constaba de 2 motores F-1 en su primera fase, 4 motores J-2 en la segunda y una fase S-IV con 6 motores RL-10. La NASA planeó usar este cohete como parte del concepto de encuentro en órbita terrestre con al menos cuatro o cinco lanzamientos para una misión.

Sin embargo, el MSFC estaba planificando un cohete incluso mayor, el C-4. Este usaría la fase S-IVB con un único motor J-2. La primera fase consistía en 4 motores F-1; la segunda fase era una versión agrandada de la segunda fase del C-3. Con este cohete sólo eran necesarios dos vuelos para una misión de encuentro en órbita terrestre.

El 10 de enero de 1962, la NASA anunció los planes de construir el C-5. Utilizaría 5 motores F-1 en su primera fase, 5 motores J-2 en la segunda y una S-IVB como tercera. Los primeros cuatro vuelos serían de pruebas, comprobando con éxito las tres fases e incluyendo una prueba de vuelo alrededor de la Luna. El primer vuelo tripulado no sería hasta 1969, aunque al final se realizó en diciembre de 1968.

A mediados de 1962, la NASA decidió usar un sistema acelerado de pruebas, con las tres fases probadas de una vez en el primer lanzamiento. Esto acortaría el tiempo de desarrollo y pruebas, pero significaba que todas las fases debían de funcionar a la perfección. También permitiría reducir el número de cohetes de 25 a 15.

En 1963, el C-5 era renombrado como Saturno V; los primeros motores F-1 de Rocketdyne comenzaron a ser producidos. En 1966 los F-1 pasaron los controles de la NASA para poder ser usados en vuelos tripulados. Después de un intenso trabajo de diseño y pruebas, el 9 de noviembre de 1967 el primer Saturno V era lanzado con el Apolo 4 sin tripulación a bordo.