Lot statku Apollo 8 odbył się w dniach 21 – 27 grudnia 1968. Podczas startu po raz pierwszy w lotach załogowych użyto rakiety nośnej Saturn V, po raz pierwszy też skierowano pojazd kosmiczny z ludźmi na pokładzie w kierunku Księżyca. Misją dowodził Frank Borman, a poza Lovellem znalazł się w niej również William Anders. Apollo 8 znalazł się na orbicie okołoksiężycowej 24 grudnia 1968. Pozostał tam przez ponad 20 godzin, wykonując w sumie 10 okrążeń. Astronauci przeprowadzili transmisję telewizyjną, podczas której odczytano fragmenty Biblii oraz fotografowali powierzchnię Srebrnego Globu. 27 grudnia 1968 po 6-dniowej misji wodowali pomyślnie na Oceanie Spokojnym.
Wkrótce potem Lovell otrzymał nominację na dowódcę rezerwowej załogi misji Apollo 11. Gdyby Neil Armstrong w czasie przygotowań uległ wypadkowi, Lovell byłby pierwszym człowiekiem, który postawiłby stopę na Księżycu. W czasie lotu Apollo 11, jako jeden z kilku CapCom (osoba odpowiedzialna za komunikację ze statkiem kosmicznym), Lovell utrzymywał w Centrum Kontroli Lotów w Houston łączność radiową z astronautami.