Noch vor dem Flug von Apollo 7, der ersten bemannten Mission des Apollo-​Programms, kam bei den Verantwortlichen des Programms die Idee auf, bereits Apollo 8 zum Mond fliegen zu lassen. Der Gedanke wurde zunächst nur intern diskutiert. Schließlich wollte man gerade nach dem tragischen Tod von drei Astronauten, die im Januar 1967 bei einem Bodentest an Bord von Apollo 1 auf tragische Weise umgekommen waren, jeden Anschein unkalkulierbarer Risiken vermeiden. Dennoch wurden im Sommer 1968 mehrere Optionen für die Apollo 8 Mission untersucht, darunter auch eine bemannte Mondumrundung. Obwohl sich zu diesem Zeitpunkt bereits abzeichnete, daß die Probleme mit dem Mondlandemodul bis Ende 1968 nicht zu überwinden waren, wurde schließlich die Planung für die folgenden Missionen umgestellt. Die Aufgabe von Apollo 8 wurde von einer Mission Typ-​D (Erprobung des gesamten Apollo-​Mondflugkomplexes im niedrigen Erdorbit) zu einer Mission Typ-​C (bemannter Testflug des CSM zur Überprüfung seiner Leistungsfähigkeit) geändert. Allerdings erhielt die Mission den Status C-​Prime, was auf den Unterschied zu Apollo 7 hinwies, nämlich, daß dieser Test im Mondorbit stattfinden sollte! Nachdem NASA Administrator Thomas O. Paine in einem Telefongespräch mit dem designierten Apollo 8 Kommandanten Frank Borman Rückhalt für die Idee der Mondmission erhalten hatte, wurde am 10.08.1968 der Rest der Crew, Pilot James Lovell und Mondlander-​Pilot William Anders, über die geänderte Missionsplanung informiert. Nach einem ausgesprochen intensiven Training war die Besatzung im Dezember bereit für ihren riskanten Flug. Am 21.12.1968 exakt um 12:51 UTC startete die gewaltige Saturn V AS-​503  schließlich von LC-​39 A auf Cape Canaveral. Neben dem voll ausgerüsteten Command/Service Module transportierte sie auf ihrer ersten bemannten Mission auch eine Attrappe des Lunar Module mit der Bezeichnung LTA-​B (Lunar Module Test Article). Dabei handelte es sich lediglich um Ballast, den die Ingenieure für notwendig erachteten, um die dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems in dem Bereich zu halten, der bisher allen Tests zugrunde gelegt worden war. Anderenfalls waren vor allem Pogo Probleme befürchtet worden. Bis auf einen leichten Pogo-​Effekt verlief der Aufstieg dann auch ruhig und die Checks aller Systeme erlaubten die Freigabe der erneuten Triebwerkszündung für die Beschleunigung in Richtung Mond. Das TLI (Trans-​Lunar Injection) Manöver der S-​IVB Stufe beschleunigte in 5:08 min Apollo 8 auf Fluchtgeschwindigkeit. Einige Stunden später wurde das Haupttriebwerk von Apollo 8 für eine erste Kurskorrektur gezündet. Apollo 8 war endgültig auf dem Weg zum Mond. Eine Rückkehr war nun erst nach einer Umfliegung des Mondes möglich! Rund einunddreißig Stunden nach dem Start wurden erstmals Fernsehbilder aus der Kapsel und von der kleiner werdenden Erde übertragen. Letztere litten allerdings unter den mehr oder weniger stark beschlagenen Fenstern der Kapsel. Am 23.12.1968 verließen die drei Astronauten als erste Menschen den Gravitationsbereich der Erde. Hatte sich die Geschwindigkeit von Apollo bis hierhin von etwa 10.800 ms^–1  auf 1.218 ms^–1  verringert, nahm sie nun durch die Anziehung des Mondes wieder stetig zu. Am 24.12.1968 stand schließlich die Entscheidung an, ob Apollo 8 den Mond lediglich hinterfliegen und sofort zur Erde zurückkehren oder in einen Orbit einschwenken sollte. Alle Bordsysteme wurden mehrfach gecheckt und für gut befunden. 68:04 h nach dem Start kam die Freigabe für das entscheidende LOI (Lunar Orbit Insertion) Manöver. Dieses erfolgte aus bahnmechanischen Gründen im Funkschatten des Mondes. Nach gut 30-​minütigem Bangen meldete sich Apollo 8 dann aus einem Mondorbit wieder bei CapCom. Die Triebwerkszündung war nach Plan verlaufen. Während der nächsten zwei Stunden wurden technische Daten und Beobachtungen mit Houston ausgetauscht. Dann begann eine Live-​Fernsehübertragung aus dem Mondorbit. Nach zwei Orbits erfolgte eine kleine Bahnkorrektur. Und am 1. Weihnachtsfeiertag (Heiligabend in den USA) fand eine der spektakulärsten TV-​Übertragungen der Raumfahrtgeschichte statt. Borman, Lovell und Anders trugen vor dem Hintergrund des Mondes mit verteilten Rollen Verse aus der Genesis des Alten Testaments vor. Ungefähr eine Milliarde Menschen in 64 Ländern der Welt hörten und sahen diese Übertragung live, in 30 weiteren Ländern wurde später eine Aufzeichnung gesendet! Dieser Aspekt der Mission war allerdings nicht unumstritten, galt doch die ungeschriebene Regel, daß Religion im Astronautencorps Privatsache war und zu bleiben hatte. Der Eindruck, den die Lesung weltweit hinterlassen hatte, erstickte aber rasch die aufkommende Diskussion. Nur vier Stunden später erfolgte die entscheidende Triebwerkszündung für die Beschleunigung in Richtung Erde. Auch dieses Manöver gelang mit hoher Präzision und so konnte sogar auf zwei von drei geplanten Kurskorrekturen verzichtet werden. Auf dem Rückflug fanden noch zwei Fernsehübertragungen statt, bis Apollo 8 am 27.12.1968 wieder in die Erdatmosphäre eintrat. Und auch die letzte Flugphase begeisterte durch ihre Perfektion. Nur 4 km vom Flugzeugträger USS „Yorktown“ entfernt wasserte das CM (Command Module) am 27.12.1968 um 15:52 UTC nach einer Flugzeit von 147:01 h im Pazifik.
Die weltweite Begeisterung nach diesem Flug war gewaltig und in den Zeitungen wurde bereits darüber spekuliert, ob womöglich bereits Apollo 10 die erste bemannte Mondlandung ausführen würde. Unter den sowjetischen Kosmonauten breitete sich hingegen Resignation aus. Denn Wettlauf um die erste erfolgreiche bemannte Mondumrundung hatte man bereits verloren. Und das separate Programm für die bemannte Mondlandung befand sich in einem noch viel schlechteren Zustand.