Le 14 novembre 1969, Apollo 12 décolle sous un ciel orageux depuis le pas de tir 39A du Centre spatial Kennedy, emportée par la fusée Saturn V SA-507. C’est la deuxième mission habitée à se poser sur la Lune. À son bord : le commandant Charles "Pete" Conrad, le pilote du module lunaire Alan L. Bean et le pilote du module de commande Richard F. Gordon.
Peu après le décollage, la fusée est frappée par deux éclairs successifs (à T+36s et T+52s), provoquant une coupure momentanée des instruments et de la télémétrie. Grâce à un basculement sur les batteries de secours, puis à une réinitialisation des systèmes par l’équipage, la mission se poursuit normalement.
Le vaisseau atteint une orbite terrestre basse en 11 minutes 44 secondes, avant une manœuvre de translunar injection à T+2h53 (19 heures 15 UTC), puis la séparation et l’amarrage entre le module de commande Yankee Clipper et le module lunaire Intrepid à 19 heures 48 UTC. La mise en orbite lunaire a lieu le 18 novembre à 03 heures 47 UTC, suivie d’une circularisation deux orbites plus tard.
Le 19 novembre à 06 heures 54 UTC, Conrad et Bean se posent avec Intrepid dans l’Oceanus Procellarum, à proximité immédiate de la sonde Surveyor 3, posée là depuis avril 1967. La descente, d’une précision remarquable, marque un nouveau jalon technologique dans le programme Apollo.
Durant 31 heures 31 minutes à la surface, les astronautes effectuent deux sorties extravéhiculaires, installent le ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package), et collectent 34,35 kg de roches lunaires. Ils démontent également des éléments de Surveyor 3, notamment sa caméra, pour analyse sur Terre. De nombreuses photos sont prises et des expériences menées.
Le module lunaire décolle le 20 novembre à 14 heures 25 UTC et rejoint Yankee Clipper en orbite lunaire à 17h58. Le LM est ensuite éjecté et volontairement écrasé sur la Lune, provoquant le premier moonquake artificiel enregistré, grâce aux instruments du ALSEP.
La manœuvre de retour vers la Terre débute le 21 novembre à 20h49 UTC. Après une correction de trajectoire le 22, le module de commande se sépare du module de service le 24 novembre à 20h29, avant un amerrissage réussi dans le Pacifique à 20h58 UTC, à seulement 6,9 km du navire USS Hornet.
Au total, Apollo 12 effectue 45 orbites lunaires en 89 heures, avec une durée de mission de 244 heures 36 minutes (soit un peu plus de 10 jours).
