La mission Apollo 15 a été lancée le 26 juillet 1971 à 13 heures 34 UTC depuis le pas de tir 39A du Kennedy Space Center, en Floride. Elle marque le début des missions de type J, plus longues, avec une charge utile scientifique accrue et l’introduction du Lunar Roving Vehicle (LRV). L’équipage se composait de David R. Scott, commandant de mission, James B. Irwin, pilote du module lunaire Falcon, et Alfred M. Worden, pilote du module de commande Endeavour.
Le vaisseau atteignit l’orbite terrestre à 13 heures 45 minutes 44 secondes UTC, puis l’injection translunaire fut effectuée à 16 heures 30 minutes 03 secondes UTC. Après séparation du dernier étage S-IVB à 16 heures 56 minutes 24 s, le module de commande s’amarra au module lunaire à 17 heures 07 minutes 49 s. Le S-IVB fut ensuite envoyé vers la Lune, où il s’écrasa le 29 juillet à 20 heures 58 minutes 42,9 secondes UTC, générant une onde sismique enregistrée par les instruments laissés par Apollo 12.
Le transit vers la Lune fut ponctué de quelques incidents : un court-circuit fut détecté dans le système de propulsion du module de service, un cache de verre fut brisé sur le radar du LM, et une petite fuite d’eau dans le CM dut être réparée. Une correction de trajectoire fut effectuée le 27 juillet à 18 heures 14 minutes 22 s, puis une seconde le 29 juillet à 15 heures 05 minutes 15 s. La mise en orbite lunaire fut réalisée le 29 juillet à 20 heures 05 minutes 47 secondes UTC, suivie de la descente en orbite basse lunaire le 30 juillet à 00 heures 13 minutes 49 s.
Le 30 juillet à 18 heures 13 minutes 30 secondes UTC, après résolution d’un problème de connecteur électrique détecté au moment du désamarrage, le module lunaire Falcon se sépara du module de commande Endeavour. La descente vers la surface s’engagea à 22 heures 04 minutes 09 secondes UTC, pour un alunissage à 22 heures 16 minutes 29 secondes UTC dans la région Hadley–Apennines (26,1° N, 3,6° E), au pied des montagnes Apennines et près de la fosse Hadley.
David Scott et James Irwin passèrent 66 heures et 55 minutes à la surface lunaire, avec trois sorties extravéhiculaires (EVAs) d’une durée cumulée de 18 heures et 35 minutes. Grâce au véhicule lunaire électrique (LRV), ils parcoururent 27,9 km, explorant un rayon de 5 km autour du LM. Ils installèrent l’ensemble scientifique ALSEP, réalisèrent des expériences, et récoltèrent 77,31 kg de roches lunaires. C’est également lors de cette mission que David Scott réalisa une démonstration célèbre en laissant tomber une plume et un marteau simultanément, prouvant qu’en l’absence d’air, tous les objets tombent à la même vitesse.
Pendant ce temps, Alfred Worden, en orbite lunaire, effectua 74 révolutions autour de la Lune pendant environ 145 heures, réalisant des observations photographiques et scientifiques grâce à un module d’instruments scientifiques (SIM) intégré au module de service.
Le 2 août à 17 heures 11 minutes 22 secondes UTC, le LM Falcon décolla de la Lune. Il s’amarra au module de commande à 19 heures 09 minutes 47 secondes UTC. Le LM fut ensuite largué le 3 août à 01 heures 04 minutes 14 s, après une orbite supplémentaire pour vérifier l’étanchéité des sas. Il s’écrasa sur la Lune le 3 août à 03 heures 03 minutes 37 secondes UTC, à 93 km à l’ouest du site d’alunissage.
Le 4 août à 20 heures 13 minutes 19 secondes UTC, un sous-satellite scientifique fut éjecté depuis la baie du module de service et placé en orbite lunaire (102,0 × 141,3 km), une première dans l’histoire du programme Apollo.
Le retour vers la Terre débuta le même jour à 21 heures 22 minutes 45 secondes UTC, par une poussée de 2 minutes 21 s. Le 5 août, Worden réalisa la première EVA en espace profond, sortant du module de commande durant 38 minutes et 12 secondes pour récupérer des cassettes de film dans la baie SIM.
Le 7 août à 20 heures 18 minutes UTC, le module de commande se sépara du module de service, amorçant sa rentrée atmosphérique. Lors de la descente, l’un des trois parachutes principaux ne s’ouvrit pas complètement, provoquant une vitesse d’impact supérieure à la normale : 35 km/h, soit 4,5 km/h de plus que prévu. L’amerrissage eut lieu à 20 heures 45 minutes 53 secondes UTC (16 heures 45 minutes 53 secondes EDT) dans l’océan Pacifique, au nord d’Honolulu. Le vaisseau a été récupéré par le navire USS Okinawa.
