Le plan de vol établi par la NASA prévoyait une période de repos de l'équipage immédiatement après les vérifications qui suivaient l'atterrissage. Mais Armstrong demande que la sortie extravéhiculaire sur le sol lunaire se fasse plus tôt. Les deux astronautes doivent s'équiper et il s'est écoulé près de six heures depuis qu'Eagle s'est posé sur la Lune lorsque Armstrong et Aldrin sont prêts à aller à l'extérieur. La cabine est dépressurisée et l'écoutille est ouverte. Armstrong descend d'abord en utilisant l'échelle située sur le flanc du module. Arrivé au dernier échelon il déclare « Je vais descendre du LeM (module lunaire) maintenant » avant de se tourner et de poser son pied gauche sur la surface lunaire le 21 juillet 1969 à 2 h 56 minutes UTC.
Il prononce alors la phrase qu'il avait préparée quelques heures auparavant : « That's one small step for [a] man, one giant leap for mankind » ce qui peut se traduire par « C'est un petit pas/échelon pour un homme, un bond de géant pour l'humanité ».
On a longtemps supposé qu'Armstrong a omis par erreur le mot « un » de sa désormais célèbre phrase, ce qui vidait la phrase de son sens car « l'homme » est synonyme d'« humanité ». Armstrong dit plus tard : « j'espère que l'Histoire me pardonnera d'avoir enlevé la syllabe et comprendra que ce ne fut pas volontaire. Même si la syllabe ne fut pas dite, elle aurait aussi bien pu l'être ».
Depuis, certains ont affirmé que l'analyse acoustique de l'enregistrement révélait la présence du mot manquant. Une analyse audio numérique réalisée par Peter Shann Ford, un informaticien australien, a fait valoir qu'Armstrong dit en fait « un homme », mais le « un » était inaudible en raison des limitations de la technologie des communications de l'époque. Ford et James R. Hansen, biographe d'Armstrong, a présenté ces résultats à Armstrong et aux représentants de la NASA mais l'article de Ford a été publié sur son propre site Web et non dans une revue soumise à relecture par des pairs scientifiques. Des linguistes comme David Beaver et Mark Liberman considèrent avec scepticisme les affirmations de Ford. Armstrong a exprimé sa préférence pour que cette citation soit écrite avec le « un » entre parenthèses et la transcription de ses paroles sur le site de la NASA est conforme à ce souhait.
Lorsque Armstrong fait son annonce, les échanges radio entre l'équipage et la mission au sol sont diffusés en direct par la Voix de l'Amérique, par la BBC ainsi que par de nombreuses autres radios dans le monde entier. On estime que près de 450 millions d'auditeurs sur une population mondiale estimée de 3,631 milliards de personnes suivent la sortie d'Armstrong.
Environ quinze minutes après la sortie d'Armstrong, celui-ci est rejoint par Aldrin. Les deux hommes dévoilent une plaque commémorant leur vol fixée sur l'étage de descente qui doit rester sur le sol lunaire puis plantent le drapeau des États-Unis. Celui-ci possède une armature faite d'une tige métallique pour le maintenir horizontalement faute d'atmosphère et donc de vent.
Néanmoins, sur les photographies, le drapeau a une apparence légèrement ondulée à cause de la manière dont il avait été plié et emballé pendant le voyage. Sur Terre, une discussion eut lieu sur la pertinence de planter un drapeau, mais ce point n'a pas préoccupé Armstrong qui pensait que tout le monde aurait fait de même. Slayton avait averti Armstrong qu'ils recevraient une communication spéciale, mais ne lui avait pas dit que ce serait le président Richard Nixon qui serait en contact avec eux, juste après la mise en place du drapeau.
La vidéo restaurée des premiers pas sur la lune
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