1959年，布劳恩参与了名为“水星”计划的美国载人航天计划。这时布劳恩终于可以为他的“航天梦幻”而奋斗了。他和他的班子为这一计划制定了三个阶段：第一阶段，用红石火箭把人送入弹道；第二阶段，用丘比特火箭将人送入更长的弹道；第三阶段，用阿特拉斯洲际导弹将载人航天舱送入轨道。实际上这一计划是载人航天飞行的初步试验计划，其基本任务是把人送入轨道，试验他空间活动能力，并使他安全地返回地面。
美国的载人航天计划实际上可以分为两部分，一是把人送入太空；二是首先登上月球。把人送入太空，用原有的火箭就可以完成，而登月，则需要更大推力和更完美的火箭作运载工具。为此布劳恩又参加了研制更大推力火箭的“土星计划”。
为了尽快实现宇宙飞行的梦，早在这两个计划进行前，布劳恩等人就做了些有用而且必要的尝试。1958年底，他们用一枚丘比特火箭将一只鼠猴用特制的密封舱送入太空，并把这只猴子的呼吸、心跳速率、心电图和体温等资料用遥测发射器传回地球。这个特殊的密封舱在被回收之前落入大海，猴子被淹死，但资料表明，在事故发生前，它的状况一直很好。
1959年5月，丘比特火箭第二次载着两只猴子起飞，回收取得了圆满的成功，这为人类早日进入太空提供了宝贵资料。布劳恩班子的能力和反复发射卫星的成功记录也使布劳恩擢升为美国宇航局亨茨维中心的主任。
不管是登上月球，还是进入更深远的外层太空，需要达到更快的宇宙速度，至少要达到逃逸速度，即每秒112公里，为此布劳恩进行了大量试验。1958年底，布劳恩尝试用“天后二号”发射“先驱者三号”小型太空探测器，这次试验因为差3％没有达到逃逸速度，试验失败了。
1959年1月2日，从前苏联传来消息，前苏联人成功地超越逃逸速度，向月球区域发射了第一个自动星际站“月球一号”。1471公斤的巨大有效载荷脱离了地球引力，成为第一颗太阳系的人造小行星。
2个月后，布劳恩及其班子再次为美国挽回了面子，他用“天后二号”
成功地把“先驱者四号”送入了外太空，并对卫星跟踪长达82小时，距离地球达655000公里，取得与前苏联人相同的成绩。在失败与成功之中，布劳恩清醒地知道，自己与对手还差得很多，前苏联的深空探测器重达15吨，而“先驱者四号”小得可以装在纸箱里。这一差距，促使他全神贯注到“土星计划”
之中。布劳恩也认识到，人与电子设备不同，人不但不能小型化，而且还需要更多的服务设施，因此，创造具有更大推力的新型火箭是实现载人飞行和登月的基本条件。
在土星火箭中，布劳恩设计了8引擎的集束式火箭发动机，并改进了燃料供应系统，经过两年多的试验和改进，1961年8月，第一枚“土星一号”
发射取得了完全成功，有效载荷达到了650吨，这是当时美国推力最大的火箭运载工具。
与此同时，实现载人飞行的“水星计划”也在挫折与失败中紧锣密鼓地进行着。前苏联的航天壮举接二连三，1961年4月12日，前苏联英雄航天宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人，在环绕地球一周后，成功地返回地面。这一举世瞩目的成就促使布劳恩更加辛勤地工作，加紧进行“水星计划”的试验。1961年5月，一枚红石火箭将美军谢泼德中校送入太空，进行了短距离的亚轨道飞行使他成了美国第一个在空间飞行的人。两个月后，格里森少校进行了同样的太空飞行。这两次飞行使宇航员就航天器控制、评估他们对火箭动力飞行的反应具有重要意义。1962年2月20日，即尤里·加加林实现环绕地球一周的10个月后，格伦上校终于进入太空轨道，成功地环绕地球飞行三周。在水星计划中，所有的载人飞行都全部实现了。1965年5月，美国宇航员完成了环绕地球22周的计划。水星计划证实了载人空间计划继续进行的可能性，为人类登上月球奠定了基础。
载人飞行的实现使布劳恩与他的梦想又近一步，在进一步研制巨型火箭的同时，他参与了为登月进行准备的“双子星计划”。从1961年到1965年，这一计划如期实现了。通过这一计划，布劳恩等人证实了长时间航天飞行的可能性，完善了为实现两个航天器在轨道上会合和对接的技术程序，取得了精确控制重返大气层着陆的能力和舱外活动能力。所有的工作和所有的努力证实，人类登上月球，已经是万事俱备，只欠东风了。
1969年7月，人类登月之梦终于可以实现了。完成这一使命的是“土星5号”运载火箭和“阿波罗11号”航天器。在此之前，“阿波罗号”航天器只能载着人进行绕月飞行，一次次与月球擦肩而过。
7月15日这天晚间，布劳恩回到住所休息，他首先用了一个小时检查明天的发射程序表。以往他也曾经多次这样做过，但是这一次的意义不同寻常。
这一晚上，他睡得不太好，也许是心情激动的原因，天没亮就起了床，凌晨4点就来到卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心或称月球港。在那里，那庞然大物——“土星5号”月球火箭竖立在发射架上，只待点火升空。
肯尼迪航天中心聚集了大批的工作人员。布劳恩走入发射控制中心，询问了一下进展情况，当得知一切顺利后，他走向一张控制台面前坐下，戴上了收送话器，审视了对面墙壁上的几个荧光屏，又看了看跟前控制台上的几个刻度盘，发射马上进入了倒数计时。这是一个令人焦急不安的时刻，但布劳恩很平静，操作高度专业化，一切进行得井井有条。
在发射场外八九公里的地方，来自世界各地的要人云集。200多名议员，19名州长，49名市长，69名大使和100多个科学使节，甚至连前总统约翰逊都前来观看这一世界壮举。在场的还有来自世界的3000多名记者以及成千上万的美国人和游客，他们一齐把目光指向远方的蓝色天空，因为他们都意识到，自己即将目睹人类重大历史事件发生的经过。
距离发射只有几分钟了，3名宇航员走下高高的人行栈桥，进入高大火箭顶端的控制舱，顿时发射中心的气氛紧张起来。
通信员的声音开始进行最后的计数：“十……九……八……”紧接着，“土星5号”火箭的第一级的5台发动机以巨大的推力猛烈地冲击着发射架，这一推力相当于北美洲全部河流发电总量的两倍。在震耳欲聋的轰鸣声中，巨大的白色火箭徐徐上升，速度越来越快，最后消失在云层中。从广播里传来的声音：一切系统运转正常。由布劳恩和政府与工业界15万名工程师和技术人员研制的巨大火箭，正飞向月球……在以后的三天中，宇航员阿姆斯特朗、艾德林和科林斯勇敢地进行着历史上最冒险的旅行，全世界的人都心急如焚地等待着来自另一个世界的佳音。
巨大的“土星5号”抛下了第一、二级助推器，在第三级第一次点火后，进入了绕地球的驻留轨道。宇航员和地面人员对全部系统进行了最后的检查，确认无误，作出了飞向太空的最后决定。7月16日中午12时16分，飞器推向飞向月球的轨道。这时冯·布劳思目不转睛地注视着仪表盘和显示屏。
飞船的工作情况极好，当分秒不差准时停车得到证实时，整个发射控制室充满了欢乐的气氛。
中午12时40分，地面指挥中心下达了“阿波罗11号”与“土星火箭”
分离的命令。分离成功以后，由指挥舱与登月舱组成的联合航天器继续向月球作惯性飞行。宇航员在空中作无动力飞行的同时，布劳恩赶往休斯敦飞行控制中心。在漆黑漫长的宇宙空间中，“阿波罗11号”的飞行持续了整整三天。
7月19日星期六下午1时26分，飞行器的火箭发动机再次点火，把飞行器送入绕月球的椭圆轨道。宇航员们绕着月球转了4个多小时，下午5时42分，发动机再次点火，将“阿波罗11号”送入一条精妙的轨道，这条轨道将以距离月球100多公里的高度掠过。
7月20日下午1时42分，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林进入登月舱，为即将的登月进行准备。这次飞行的决定性时刻来到了，人们纷纷守在收音机和电视机旁，等待着这历史性的一刻来临。
下午3时12分，一切准备就绪，登月舱发动机点火，飞行器开始控制向月面的降落。飞行控制中心的闪光指示灯不停地闪烁，这表明登月舱在不断地下降，终于，指示灯停止了闪烁，阿姆斯特朗的声音传到了地球：“这里是月面静海基地，我们已经着陆！”飞行控制中心立刻充满欢乐，而布劳恩的眼睛也湿润了。
然而这一切并没有结束，两名宇航员开始检查重新安全地升入轨道，和指挥控制舱对接的一切复杂系统，然后，他们为走出飞行器，进行踏上月球作准备。
1969年7月20日美国东部夏令时下午10时56分，阿姆斯特朗走出舱门，走到舷梯的最后一级上，伸出他的脚，在月球上踩了人类第一个脚印，同时他说了一句不朽的话：
“这一步对一个人来说，是小小的一步；对于整个人类来说，将是巨大的飞跃！”
20分钟后，两个宇航员已经开始在月面上活动，进行科学实验。登月舱外的电视摄影机记录下他们的壮举，并把信号发回地球。地球上，成万双眼睛在注视着他们三人，并且为之欢呼雀跃，因为这次不是科幻小说，不是科幻电影，而是千真万确的，三位宇航员的英雄行动将永载史册。对于布劳恩来说，今天所获得的梦想的实现，是与之学识、天才和勤奋密不可分的，正如这三位功勋宇航员后来合着的一本书的题词中写道：
“献给韦纳·布劳恩：是您的主张和预言，您的宣传和研究，您的扶持和促进，使我们捷足先登月球”。
同时这次成功在布劳恩和全世界热心空间科学的人们看来，仅仅是一个开端，从此到20世纪70年代初布劳恩的卓越努力使“阿波罗计划”的巨大成功达到高潮。但是布劳恩并不准备躺在荣誉的桂冠顶上。虽然他已年过花甲，但是强烈的探索宇宙的热情使他不愿放弃工作。他和其他人一样，对“阿波罗计划”的结果很激动，希望能够再次创出奇迹。他用他惯有的风度和精神，准备迎接新的挑战。为此他参加了多种多样的科学活动，各种用途的卫星，航天飞机，宇宙探测器，军用、商用航天器等方面的研究，他认为发展空间科学，为地球的环境、人类生态、能源开发、信息通讯服务是非常有益的事情。
有人曾经这样评价过布劳恩：
“美国的空间计划与冯·布劳恩的名字比与任何其他人的名字的联系都更紧密，且已经产生了许多实际效益：它提高了生活的质量，及时地振奋了美国和世界人民的精神；它提高了人对宇宙的估价；它开阔了眼界；它刺激了经济；它继续推动着科学和技术的发展”。
虽然布劳恩是一个强人，但他不是一个铁人，长年的辛劳使他患上了肠癌。
1975年8月，他进行了手术，手术后3个月，巨大的工作热情和坚强的意志促使他再度回到办公室，并参与新近成立的全美航天协会的工作。
1977年6月，布劳恩终于没挨过病魔的困扰，这位伟大的火箭专家、现代航天之父终于长眠于华盛顿（他当时的工作地方），终年65岁。
正如有人评价过的那样：冯·布劳恩博士对世界的主要贡献之一是，在空间探索变为现实之前，他就对之坚信不移，他专心矢志，梦寐以求，百折不回，终于以他的天才和不屈不挠的努力，使这个梦想变为现实。
所有的一切都表明，布劳恩的一生，是探索的一生，奋斗的一生，他用自己的天才和勤奋赢得了成功的辉煌，他的英名和伟业将永垂史册。