Az Apollo–10 (NASA kódja szerint az AS-505) az Apollo-program negyedik emberes repülése volt, egyben a második, amely a Holdig repült. A repülés fő célja a Holdra szállás „jelmezes főpróbája” volt, az utolsó tesztrepülés, amely a Holdhoz való elrepülést, a holdkomp és az anyaűrhajó szétválasztását, az ereszkedést a holdfelszín felett mind-mind magában foglalta, lényegében egy Holdra szállás volt, tényleges leérkezés nélkül. A NASA 1967-ben fektette le azt a sémát, amely szerint lépésről-lépésre elérnek a Holdig és ebben szerepelt egy ilyen, az eszközrendszert minden ízében és teljes körűen kipróbáló teszt. Másrészt az űrszondás tesztrepülések – legfőképpen a Lunar Orbiter-program – révén a mérnökök tudomást szereztek róla, hogy a Hold gravitációs mezeje hogyan tér el a Földétől, hogy tömegkoncentrációk, ún. masconok vannak az égitest belsejében, amelyek befolyásolják a körülötte keringő űrhajók pályáját. Biztonságosan csak ennek a jelenségnek az ismeretében lehetett űrhajót küldeni egy holdi leszállásra.
A repülésre Deke Slayton, a NASA személyzeti ügyekért felelős igazgatója Tom Stafford parancsnokot, John Young parancsnokiegység-pilótát és Gene Cernan holdkomppilótát jelölte meg legénységként, tartalékaik pedig Gordo Cooper tartalék parancsnok, Donn Eisele tartalék parancsnokiegység-pilóta és Ed Mitchell tartalék holdkomppilóta lettek. Ezzel a program visszatért az eredeti rotációhoz (Slayton a "tartaléknak jelölnek, aztán kihagysz két repülést és Te következel a repülésre kijelölt legénységben" szisztémát dolgozta ki), így az Apollo–7 tartalékai kerültek kinevezésre a repülésre. Egyben ez volt a program első olyan repülése, amelyre csupa kipróbált űrveteránt jelöltek (Stafford és Young háta mögött két, Cernan pedig egy repüléssel indult a Holdhoz). A legénység ezúttal is élt két előjogával, a legénységi jelvény megtervezésével és az űrhajók névadásával. A parancsnoki űrhajó a Charlie Brown, a holdkomp pedig a Snoopy nevet kapta, két Peanuts rajzfilm figuráét.
A startra 1969. május 18-án került sor, először és egyben utoljára Cape Kennedy LC39B indítóállásából. A rakéta startja az egész program legkevésbé sikerült, legtöbb probléma által sújtott indítása volt. Mindhárom fokozat esetében fellépett a típusbetegségnek számító pogo oszcilláció, amely olyan súlyos volt, hogy az űrhajósok szeme előtt összefolyt a műszerek képe és nem voltak képesek rádión jelentést tenni. A további műveletek már problémamentesebben mentek, sima repüléssel elértek a Holdig, majd pályára is álltak körülötte. Némi előkészületet követően a két űrhajó szétvált, Stafford és Cernan megkezdte a süllyedést a felszín felett. Egy másodlagos cél volt, hogy a lehetséges leszállóhelyekről közeli fényképek készüljenek, amelyek jobb felbontásuk révén jobban segíthetik a későbbi tényleges leszállások helyének kiválasztását, mint a rendelkezésre álló Lunar Orbiter fotók. A két űrhajós egészen méter magasságig ereszkedett, ahonnan már visszafordultak és megkezdték az emelkedést. Kicsit később leválasztották a holdkomp leszállófokozatát és a felszállófokozattal emelkedtek tovább, vissza az anyaűrhajóval való találkozásig. Ebben a műveletben kisebb hibát vétettek az űrhajósok és az űrhajójuk váratlanul irányítatlanul pörögni kezdett. Csak nagy vesződséggel tudtak – kézi vezérléssel – a váratlan vészhelyzetből kikeveredni. Ezt követően sikeresen újra összekapcsolódtak a parancsnoki űrhajóval.
A repülés újabb eseménytelen hazatérési fázist követően 1969. május 26-án ért véget, amikor a Charlie Brown 8 nap 0 óra 3 perc 23 másodperc repülés után belecsobbant a Csendes-óceán vizébe, Amerikai Szamoától 740 kilométerre, ahol a USS Princetown repülőgép-hordozó várta.
Előzmények Az 1950-es évek végén kibontakozó űrverseny kezdetén a Szovjetunió sokak meglepetésére előnyre tett szert az űrteljesítmények terén az Egyesült Államokkal szemben, ezért az USA vezetői a közvélemény nyomására úgy határoztak, hogy életre hívnak egy programot, amellyel a szovjetek elé vághatnak. Eladdig a szovjetek olyan teljesítményekkel rukkoltak elő, mint a Szputnyik–1 a világ|első műholdjának] feljuttatása, majd Jurij Gagain az első ember feljuttatása a világűrbe, illetve több más elsőség, amivel megingathatatlan vezető szerepet szereztek, így egy elképzelhetetlenül nagy vállalással lehetett ezt felülírni. Az Apollo-programot 1961. május 25-én jelentette be John F. Kennedy elnök az amerikai kongresszus előtt mondott beszédében azzal a céllal, hogy az amerikaiak embert juttatnak a Holdra. Ezzel az USA lényegében anullálta volna jelentőségében mindazt,a mit addig ellenfele elért. A feladatot a NASA kapta, amelynek szakemberei ki is dolgozták a Hold elérésének módszerét. Az idő előrehaladtával ez folyamatosan változott: előbb a direkt leszállás módszere volt kitűzve, amelyet felváltott az ún. EOR (Earth Orbit Rendezvous – Randevú Föld körüli pályán) módszer, végül pedig lefektették az ún. LOR (Lunar Orbit Rendezvous – Hold körüli pályán végrehajtott randevú) koncepcióját. Az elgondolások között a felküldendő tömeg volt a lényegi különbség. Az elsőnél egy gigantikus rakéta szállt volna fel, majd eljutván a Holdhoz le a holdfelszínre, végül vissza a Földre. A második már annyit enyhített ezen, hogy a gigantikus feljuttatandó tömeget több „csomagban” juttatta volna fel Föld körüli pályára, ahol összedokkolgatva őket, indulhatott volna az expedíció a Holdra. A harmadik pedig azt a forradalmi újítást hozta el, hogy két külön űrhajót vizionált, egyet amelyikben a holdutazók eljutnak a Holdig, majd vissza a Földre és egy másikat, amelyet csak a holdi leszállásra és felszállásra használnak. Ezzel meg lehetett takarítani azt a jelentős tömeget, amely a hazajutáshoz szükséges hajtóanyag kényszerű Holdra juttatásával, majd onnan való felszállításával járt volna. Ez utóbbi koncepció kijelölte a fejlesztési irányokat is: kell egy nagyobb és egy kisebb űrhajó, egy anyaűrhajó és egy holdkomp.
A koncepció birtokában a NASA megtervezte a Holdra jutáshoz szükséges lépéseket és az azokat teljesítő űrrepüléseket is, amelyeket egy ABC sorrendbe szervezett táblázatban foglalt össze. Ennek keretében az „A” jelű repülés volt a leendő anyaűrhajó automata berepülése, a „B” jelű repülés a holdkomp automata berepülése, majd a C” jelű repülés az anyaűrhajó emberekkel való szűzrepülése, végül pedig az utolsó próbarepülés, a „D”-jelet kapta, amely a holdkomp emberekkel való berepülését foglalta magába. Ezt követte volna egy nagy magasságú repülés egy visszatérési teszttel, E típusú repülés jelöléssel, majd az F típusú repülés, amely egy jelmezes főpróba volt, amelyben mindent elpróbáltak volna, elrepülve a Holdig, ott még a holdkomp ereszkedését is szimulálva, de a leszállás mellőzésével, hogy elkövetkezhessen végül a G típusú repülés, a tényleges Holdra szállás. A verseny tempója által diktálva a NASA ezeket rohamtempóban próbálta teljesíteni. Az első repüléseket 1966 vége előtt kívánta teljesíteni a NASA, amelyhez egyrészt kijelölték a hamarabb készen álló, kisebb – de még elégséges teljesítményű – Saturn IB rakétát, illetve kettéosztották az anyaűrhajó fejlesztését egy Block I jelű előszériára, amely még nem kapott meg minden képességet, de Föld körüli pályán való berepülésre teljesen alkalmas volt (egyedül a holdkomppal való csatlakozásra hivatott dokkolószerkezet és randevúradar, illetve ezek kapcsolódó berendezései hiányoztak belőle, valamint egy Block II jelű teljes értékű második szériára. Az első berepülést a Block I-gyel kívánták megvalósítani. Ennek startját kisebb csúszások után 1967. február 21-re tűzték ki. Ezt követhette a többi repülés, elsősorban a holdkomp automata üzemmódú próbája. Az Apollo–1 nem várt katasztrófája miatt az emberes repülések csak nagy késéssel következtek el, előbb a C, majd a D típusú repülés, aztán az „E” a bátor Apollo–8 repülés miatt elmaradt, hogy eljöjjön az „F” repülés ideje. 1969. májusát írták ekkor.
Űrhajó fejlesztések Az Apollo–10-et a teljes űrhajórendszer végső tesztjének szánták. A tesztek egy vadonatúj űrhajó teljes kipróbálását célozták, mivel az űrhajórendszer egységeit – részben a holdkomp esetében minden előzmény nélkül – teljesen újként, a feladatra optimalizálva fejlesztették ki. A hardverfejlesztések három fő ágon zajlottak, amelyek aztán a későbbi repülések során találkoztak össze. A hardverekkel – és fejlesztésükkel – kapcsolatos követelmények a szintén több lépcsőn átesett Holdra szállási koncepcióból fakadtak: előbb a közvetlen leszállást propagálta a NASA, amelyben egyetlen hatalmas rakéta juttatott volna el szintén egy hatalmas rakétát a Holdra, mely aztán vissza tudott volna térni a Földre, majd ezt követte az ún. EOR-koncepció, amelyben a feljuttatandó tömeget kisebb csomagokra és így kisebb rakétákra bontották volna, végül aztán rátaláltak az ún. LOR-koncepcióra, mely forradalmi volt a feljuttatandó tömegben és abban, hogy két külön űrhajót küldött volna, egyet, amellyel eljutnak a holdutazók a Holdhoz és egyet amellyel leszállnak rá. Ez a koncepcionális fejlődés határozta meg milyen fejlesztendő eszközökre van szükség.
Az első fejlesztési ág a rakétáé volt. A LOR-koncepcióban kirajzolódó űrhajók tömege éppen belefért a Wernher von Braun huntsville-i rakétaműhelyében tervasztalon születőfélben levő Saturn rakétacsalád felbocsátási kapacitásába. Ezekből a rakétákból egy rakétacsalád volt kibontakozóban, amelyből végül egy közepes teljesítményű változat a Saturn IB és egy óriásrakéta, a Saturn V valósult meg. Utóbbi Föld körüli pályás kapacitása kg, míg holdirányú kapacitása kg volt, amellyel éppen képes volt eljuttatni a szomszéd égitestre az Apollo űrhajós, holdkomp párost. A rakéta egyébként a második világháborús német V–2 leszármazottja volt mind technikai, mind abban az értelemben, hogy az egykori német Harmadik Birodalom lényegében amerikai hadifogságba esett és az USA-ba szállított rakétamérnökei hívták életre.
A másik fő fejlesztési ág az Apollo űrhajóé volt. Ez a fejlesztés a Mercury űrhajó, majd Gemini űrhajó alapjairól indult és még az első, direkt leszállásos koncepció idején indult. Ennek az időszaknak az öröksége volt később, hogy a fejlesztést két lépésben tervezték végrehajtani, a Block I jelű első sorozatban, amelyben egy még korlátozott képességű, összekapcsolódásra képtelen űrhajó született volna és a Block II jelű második sorozatban szerelték volna fel az űrhajót a később, a LOR-koncepcióval a követelmények közé került képességgel. Némi meglepetésre a fejlesztés feladatát nem az előző két program bevált beszállítója, a McDonnell kapta, hanem a North American repülőgépgyár. A tervezők egy, a Geminihez hasonló konstrukciót építettek, egy külön utaskabinból és egy műszaki egységből álló szerkezetet, amelyből a kabin fogadta magába az immár három fősre nőtt személyzetet és az összes létfenntartáshoz, illetve navigációhoz szükséges eszközt, míg a műszaki egység a hajtóművet, a különböző ellátmányokat és a kormányrendszert. Az űrhajó később rendkívül sikeres konstrukciónak bizonyult, igaz az Apollo–1 tűzesete után alapos áttervezésre szorult.