Wówczas uruchomiono silnik LM, aby zmniejszyć prędkość lotu. O godzinie 2:54 statki znalazły się w odległości kilku metrów, po czym połączyły się o godzinie 3:00. Po dokowaniu Stafford i Cernan przenieśli swój sprzęt naukowy i powrócili do kabiny Apollo. Niepotrzebna kabina statku wyprawowego została odłączona i porzucona, po czym zdalnie uruchomiono jej silnik, w wyniku czego odleciała w przestrzeń międzyplanetarną. Apollo kontynuował lot okołoksiężycowy wykonując ogółem 32 okrążenia wokół Księżyca. Pod koniec jego orbita była elipsą z peryselenium na wysokości 98 km, a aposelenium na wysokości 127 km. W dniu 24 maja 1969 roku o godzinie 10:25, gdy statek znajdował się poza Księżycem, astronauci włączyli na dwie minuty i 44. sekundy silnik statku w celu zwiększenia prędkości o 1073 m/s, co pozwoliło na odlot w kierunku Ziemi. Do Ziemi Apollo 10 zbliżył się 26 maja 1969 roku po południu i wówczas astronauci dokonali ostatniej w tej misji korekty trajektorii lotu. Kabina Apollo została odłączona od przedziału serwisowego i skierowana podstawą w kierunku lotu. Wtargnięcie w atmosferę nastąpiło o godzinie 16:39, a maksymalne przeciążenie miało wartość 7 g.