登月前的联合飞行试验
阿波罗10号承担的是登月准备中的整套飞船验证。美国国家航空航天局已经通过阿波罗8号完成载人绕月，又在阿波罗9号中把登月舱带入载人地球轨道飞行。10号任务把指令与服务舱、登月舱一起送到月球附近，检验导航、通信、分离、交会和对接能否按登月任务的节奏运行。
实际下降至月面、着陆、月面停留及从月面起飞不在本次执行范围内。航天员仍须观察预定着陆区的地形与光照，试验着陆雷达，并取得用于改进月球引力模型的数据。因此，这次任务同时具有工程试飞和轨道观测的性质。
分工与飞船的组成
休斯敦的载人航天中心负责飞船研制、航天员训练和飞行控制；马歇尔航天中心负责土星运载火箭，肯尼迪航天中心负责发射操作。北美罗克韦尔公司制造指令与服务舱，格鲁曼公司制造登月舱，麻省理工学院承担制导导航技术管理。各系统必须在地面检查和实际飞行中配合。
机组由指令长托马斯·斯塔福德、指令舱驾驶员约翰·杨和登月舱驾驶员尤金·塞尔南组成。杨将在月球轨道独自驾驶指令舱，另两人操纵登月舱。这样的安排既试验正常会合程序，也要求杨准备在登月舱遇到故障时执行备用机动。
发射与进入月球轨道
1969年5月18日16时49分，土星五号火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空；这里及下文的日期按世界时叙述。组合体先进入地球停泊轨道，经系统检查后，由火箭第三级再次点火，转入飞向月球的轨道。杨随后操纵指令与服务舱转向、对接，抽出登月舱。
航程中的一次预定修正，使飞行条件接近计划于7月实施的登月任务。5月21日，服务推进发动机点火，将飞船送入月球轨道，稍后再调整为约60海里的近圆轨道。机组检查登月舱并转移设备，为两船分离做好准备。
参考：[2]
低空掠过与分级异常
5月22日，两船在绕月飞行中分离。斯塔福德和塞尔南点燃登月舱下降发动机，进入经过预定着陆区附近的低轨道，测试着陆雷达并拍摄地形。任务报告记录的最低实测月面高度为47,400英尺，约14.4公里；这次接近没有继续为月面着陆。
分离登月舱上下两级前后，飞船发生明显姿态摆动。飞后分析结合遥测、开关状态和地面检查，认为中止制导模式意外切换、偏航角速率陀螺输出异常及随后的控制操作共同造成问题。机组恢复控制后继续执行上升级发动机点火，进入模拟正常月面上升结束时的轨道条件，随后完成交会，并于5月23日重新对接。
参考：[2]
照片与目视观察留下的资料
机组使用70毫米静态相机和16毫米摄影机，取得月面、飞船与地球的影像。航天员描述月海与高地的颜色差异，并注意到低太阳高度角会强化阴影和地形细节。这些是特定光照与观察条件下的记录，不能单凭肉眼颜色就确定岩石成分。
1971年出版的专题报告汇集机组观察和摄影分析，讨论地形、撞击坑、光度与摄影测量。任务也有未按计划取得的资料：第31圈拍摄的条带不适合原定制图用途，另一条带因更换胶片盒出现覆盖缺口。其余经校正的照片仍被用于更新下降监视图和模拟训练影像。
导航改进与返回地球
报告比较阿波罗8号和10号时指出，改进的数据处理与月球引力模型提高了轨道预测能力，但不同方向的误差并非同步缩小。利用两次月球正面经过的数据拟合，有利于确定轨道内参数，却未同样改善轨道平面的判断。这些差别为后续任务提供了具体修正线索。
5月24日，服务推进发动机再次点火，开始返航。指令舱于5月26日16时52分许溅落太平洋，飞行约192小时3分。直升机将机组接走，三人在溅落后39分钟登上“普林斯顿”号回收舰。返航、溅落和人员回收分别完成，均不应与发射日或进入月球轨道的日期混同。
参考：[2]
把试飞结果转化为后续准备
阿波罗10号把登月舱在月球附近的雷达、推进、导航与交会操作连成了一次完整试验。它证实许多程序能够执行，也暴露姿态控制和摄影安排中的问题。飞后任务评估逐项分析异常，摄影资料则继续交由研究人员处理，成果不限于飞船安全回航这一项。
任务期间还进行了16次彩色电视传输，总时长近6小时，使地面观众看到飞船内部和月球附近的景象。对阿波罗11号而言，更关键的准备来自真实月球环境下的操作经验、导航误差和着陆区资料；这些证据支持下一步决策，但没有代替下一次任务本身仍须完成的下降、着陆与月面起飞。