โลเวลล์ได้รับเลือกให้เป็นนักบินสำรองสำหรับเจมินี 4 [ ^{43 ]}ซึ่งประกาศอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 29 กรกฎาคม พ.ศ. 2507 ^{[ 44 ]}ทำให้เขามีโอกาสได้บินอวกาศครั้งแรกในอีกสามภารกิจต่อมา ในฐานะนักบินของ^เจมินี 7ร่วมกับนักบินผู้บังคับบัญชาแฟรงค์ บอร์แมนภายใต้ระบบหมุนเวียนที่คิดค้นโดยสเลย์ตัน^{[ 43 ]}บอร์แมนเป็นเจ้าหน้าที่กองทัพอากาศสหรัฐฯ และโลเวลล์ได้พบกับเขาครั้งแรกในระหว่างกระบวนการประเมินเพื่อคัดเลือกนักบินอวกาศ^{[ 45 ]}การคัดเลือกพวกเขาสำหรับภารกิจเจมินี 7 ได้รับการประกาศอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 2508 พร้อมกับเอ็ดเวิร์ด ไวท์และไมเคิล คอลลินส์ในฐานะลูกเรือสำรอง^{[ 46 ]}

เช่นเดียวกับภารกิจเจมินีทั้งหมด ภารกิจนี้เป็นส่วนหนึ่งของการเตรียมการสำหรับโครงการอพอลโล วัตถุประสงค์ของการบินคือการประเมินผลกระทบต่อลูกเรือและยานอวกาศจากการโคจรเป็นเวลาสิบสี่วัน ซึ่งถือว่านานพอสำหรับภารกิจไปยังดวงจันทร์ที่เป็นไปได้ และจะช่วยให้แพทย์สามารถประเมินด้านการแพทย์ของการบินดังกล่าวได้ ภารกิจ เจมินี 6ก่อนหน้านี้เป็นการสาธิตเทคนิคการนัดพบในอวกาศซึ่งเป็นข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับโครงการอพอลโลเช่นกัน เทคนิคเหล่านี้ได้รับการพัฒนาโดย Dean F. Grimm และBuzz Aldrinซึ่งเขียนวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาในหัวข้อนี้^{[ 47 ]}

ภารกิจ Gemini 6 ซึ่งมี Schirra เป็นผู้บัญชาการและTom Staffordเป็นนักบิน ประสบกับความล้มเหลวอย่างร้ายแรงเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม 1965 เมื่อยานเป้าหมาย Agena ที่ Gemini 6 ควรจะไปพบนั้นระเบิดขึ้นไม่นานหลังจากขึ้นบิน Lovell อยู่ในศูนย์ควบคุมการปล่อยจรวดที่Cape Kennedyเมื่อเหตุการณ์นี้เกิดขึ้น เจ้าหน้าที่จากMcDonnellผู้ผลิตยานอวกาศ Gemini จึงเสนอความเป็นไปได้ที่จะนัดพบกันระหว่าง Gemini 6 และ Gemini 7 ในช่วงสองสัปดาห์ขณะที่ Gemini 7 อยู่ในวงโคจร^{[ 48 ]}การเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียวในแผนการบินของ Gemini 7 ที่จำเป็นคือการปรับวงโคจรให้เป็นวงกลมเพื่อให้ตรงกับวงโคจรที่ตั้งใจไว้สำหรับยานเป้าหมาย Agena Borman ปฏิเสธข้อเสนอของ Schirra ที่ให้ Lovell และ Stafford สลับตำแหน่งกัน โดยให้เหตุผลว่าเป็นอันตรายและอาจทำให้ภารกิจ 14 วันล้มเหลวเนื่องจากการขาดออกซิเจน^{[ 49 ]}

ในการวางแผนภารกิจ มีการตัดสินใจว่านักบินอวกาศทั้งสองคนจะนอนหลับในเวลาเดียวกันและปฏิบัติตามช่วงเวลาทำงานเดียวกัน คือคนหนึ่งทำงานในตอนเช้าและอีกคนทำงานในตอนบ่าย การทดลองไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้า แต่จะทำเมื่อมีเวลาเหลือ^{[ 50 ]}จากการทดลองทั้งหมด 20 ครั้ง มี 8 ครั้งเป็นการทดลองทางการแพทย์ โดยมีเป้าหมายเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบของการบินอวกาศเป็นเวลานาน ส่วนที่เหลืออีก 4 ครั้งเป็นการทดสอบระบบยานอวกาศ 5 ครั้งเกี่ยวข้องกับการวัดรังสีหรือการนำทาง และ 3 ครั้งเกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพและการสังเกตการณ์^{[ 51 ]}เพื่อประหยัดพื้นที่ชุดอวกาศ G5Cได้รับการออกแบบให้มีฮู้ดแบบนุ่มแทนหมวกกันน็อค และใช้ซิปแทนห่วงคล้องคอ มีน้ำหนักเบากว่าชุดอวกาศ Gemini มาตรฐานถึงหนึ่งในสาม และสามารถจัดเก็บได้ง่ายกว่า^{[ 50 ]}

ยานอวกาศ เจมินี 7 ขึ้นบินเมื่อวันที่ 4 ธันวาคม พ.ศ. 2508 และไปถึง วงโคจรเกือบเป็นวงกลมที่ระดับความสูง 300 กิโลเมตร (160  ไมล์ทะเล; 180 ไมล์ ) ตามที่ตั้งใจไว้ โลเวลล์ซึ่งสูงกว่าบอร์แมน มีปัญหาในการสวมและถอดชุดอวกาศมากกว่า กฎของภารกิจกำหนดให้มีนักบินอวกาศคนหนึ่งสวมชุดอยู่ตลอดเวลา แต่ชุดทำให้รู้สึกร้อนอบอ้าวเกินไป ในที่สุดศูนย์ควบคุมภารกิจก็ยอมผ่อนปรนและอนุญาตให้ทั้งสองคนถอดชุดออกได้^{[ 52 ]}เจมินี 6 ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าเจมินี 6A พยายามปล่อยตัวเมื่อวันที่ 12 ธันวาคม เครื่องยนต์ติด แต่ดับลงภายในเวลาไม่ถึงสองวินาทีเนื่องจากปัญหาทางไฟฟ้าและฝาปิดถังเชื้อเพลิงที่ลืมปิดไว้โดยไม่ได้ตั้งใจ^{[ 53 ]}หลังจากการซ่อมแซม เจมินี 6A ก็ขึ้นบินได้สำเร็จเมื่อวันที่ 15 ธันวาคม และนัดพบกับเจมินี 7 ในวงโคจรที่สี่ของเจมินี 6A จากนั้นยานอวกาศทั้งสองลำก็โคจรคู่กันเป็นเวลาสามรอบ โดยระยะห่างระหว่างกันจะแตกต่างกันไปตั้งแต่0.30 ถึง 90 เมตร (1 ถึง 300 ฟุต) Gemini 6A กลับสู่โลกในวันที่ 16 ธันวาคม^{[ 54 ]}  

ในสองวันสุดท้ายของภารกิจ โลเวลล์มีเวลาอ่านหนังสือDrums Along the MohawkของWalter D. Edmonds บางส่วน เช่นเดียวกับเที่ยวบินระยะยาวก่อนหน้านี้ ความผิดปกติเริ่มสะสมมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเที่ยวบินดำเนินไป เครื่องยนต์ขับดันสองตัวหยุดทำงาน หลังจากเที่ยวบินนี้ พบว่าสาเหตุมาจากการใช้ลามิเนตแบบเก่าในห้องขับดัน แทนที่จะเป็นแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหานี้ ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าเป็นเพียงปัญหาเล็กน้อย แต่มีความกังวลมากกว่าเกี่ยวกับการสูญเสียพลังงานในเซลล์เชื้อเพลิงในวันที่สิบสาม ไฟเตือนสว่างขึ้นอย่างต่อเนื่อง และเกรงว่าเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งให้ผลผลิตเพียงบางส่วนอาจล้มเหลวโดยสมบูรณ์ และภารกิจอาจต้องยุติลงก่อนกำหนด มีการทดสอบในเซนต์หลุยส์ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่สามารถรองรับการบินที่เหลือได้ Gemini 7 กลับจากวงโคจรได้สำเร็จในวันที่ 18 ธันวาคม^{[ 55 ]}เที่ยวบินสิบสี่วันสร้างสถิติความทนทาน โดยโคจรรอบวงโคจรได้ 206 รอบ^{[ 56 ]}

เมื่อวันที่ 24 มกราคม พ.ศ. 2509 โลเวลล์ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นนักบินผู้บังคับบัญชาสำรองของเจมินี 10โดยมีอัลดรินเป็นนักบินหลัก เมื่อวันที่ 21 มีนาคม สถานการณ์ได้เปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการเสียชีวิตของลูกเรือหลัก ของ เจมินี 9 คือ เอลเลียต ซีและชาร์ลส์ บาสเซ็ตต์ในอุบัติเหตุเครื่องบินตกลูกเรือสำรองของเจมินี 9 คือ ทอม สแตฟฟอร์ด และจีน เซอร์แนนกลายเป็นลูกเรือหลักของเจมินี 9A และโลเวลล์กับอัลดรินกลายเป็นลูกเรือสำรอง ซึ่งทำให้โลเวลล์มีโอกาสได้บินเป็นครั้งที่สองและเป็นนักบินผู้บังคับบัญชาครั้งแรกในเจมินี 12การคัดเลือกโลเวลล์และอัลดรินสำหรับภารกิจนี้ได้รับการประกาศอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 17 มิถุนายน พร้อมกับการคัดเลือกกอร์ดอน คูเปอร์และจีน เซอร์แนนเป็นนักบินสำรอง^{[ 57 ]}

เป้าหมายของภารกิจเจมินี 12 ซึ่งเป็นภารกิจเจมินีครั้งสุดท้ายนั้น ในตอนแรกยังไม่ชัดเจนนัก “โดยพื้นฐานแล้ว เจมินี 12 ไม่มีภารกิจ” โลเวลล์เล่าในภายหลัง “ผมคิดว่าโดยปริยายแล้ว ...มันถูกกำหนดให้ยุติโครงการเจมินีและเก็บสิ่งของทั้งหมดที่ไม่ได้ถูกเก็บในเที่ยวบินก่อนหน้านี้” ^{[ 58 ]}ภายในเดือนกรกฎาคม ภารกิจของมันได้กลายเป็นการฝึกฝนกิจกรรมนอกยานอวกาศ (EVA) ซึ่งเป็นสิ่งที่พิสูจน์แล้วว่าเป็นปัญหาในภารกิจเจมินีก่อนหน้านี้ เนื่องจากภารกิจเหล่านั้นหนักกว่าที่คาดไว้ และการทำภารกิจง่ายๆ ก็ซับซ้อนมากขึ้น มีการพัฒนานวัตกรรมหลายอย่างเพื่อตอบสนองต่อปัญหาที่พบ พบว่าการเคลื่อนที่ในอวกาศนั้นคล้ายกับการอยู่ใต้น้ำ และอัลดรินได้ใช้เทคนิคการฝึกอบรมใหม่นี้ มีการติดตั้งอุปกรณ์รัดเอวบนชุดอวกาศ และยานอวกาศเจมินีและยานเป้าหมายอะเจนามีราวจับ ที่จับ และห่วงเพิ่มเติมสำหรับยึดอุปกรณ์รัดเอว ขั้นตอนต่างๆ ได้รับการปรับเปลี่ยนเพื่อลดความเหนื่อยล้า^{[ 59 ]}

Gemini 12 ขึ้นบินเมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน และเข้าสู่วงโคจรได้อย่างรวดเร็ว ภารกิจแรกคือการนัดพบกับยานเป้าหมาย Agena ซึ่งมีความซับซ้อนเมื่อชุดเรดาร์สำหรับการนัดพบทำงานล้มเหลว แทนที่จะเป็นเช่นนั้น Aldrin ซึ่งเขียนวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกเกี่ยวกับการนัดพบ ได้ใช้เครื่อง วัด มุม (sextant)เพื่อวัดมุมระหว่างยานอวกาศกับ Agena จากนั้นจึงคำนวณการกระทำที่จำเป็นโดยใช้คอมพิวเตอร์บนยาน Lovell จึงบังคับยานอวกาศตามนั้น การนัดพบสำเร็จ และ Gemini ได้เชื่อมต่อกับ Agena สำเร็จ นับเป็นการนัดพบในอวกาศครั้งที่ 5 และการเชื่อมต่อในอวกาศครั้งที่ 4 กับยานเป้าหมาย Agena จากนั้น Lovell ก็แยกตัวออกและเชื่อมต่อใหม่อีกครั้งได้สำเร็จ^{[ 60 ]}

อัลดรินปฏิบัติภารกิจ EVA สามครั้ง ครั้งแรกเป็นการปฏิบัติภารกิจ EVA แบบยืนในวันที่ 12 พฤศจิกายน โดยประตูยานอวกาศถูกเปิดออกและเขายืนขึ้น แต่ไม่ได้ออกจากยานอวกาศ การปฏิบัติภารกิจ EVA แบบยืนนี้เลียนแบบการกระทำบางอย่างที่เขาจะทำระหว่างการปฏิบัติภารกิจ EVA แบบบินอิสระ เพื่อที่เขาจะได้เปรียบเทียบความพยายามที่ใช้ไประหว่างสองภารกิจนี้ ภารกิจนี้สร้างสถิติ EVA ที่สองชั่วโมงยี่สิบนาที ในวันถัดมา อัลดรินได้ปฏิบัติภารกิจ EVA แบบบินอิสระ เขาปีนข้ามราวจับที่ติดตั้งใหม่ไปยังยาน Agena และติดตั้งสายเคเบิลที่จำเป็นสำหรับการทดลองการรักษาเสถียรภาพด้วยแรงโน้มถ่วง เขาปฏิบัติภารกิจหลายอย่าง รวมถึงการติดตั้งขั้วต่อไฟฟ้าและทดสอบเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับโครงการ Apollo ภารกิจ EVA สิ้นสุดลงหลังจากสองชั่วโมงหกนาที^{[ 61 ] [ 62 ]}ก่อนกลับไปยังยานอวกาศ อัลดรินทำความสะอาดหน้าต่างนักบินด้วยผ้า และโลเวลล์ถามเขาเล่นๆ ว่าเขาจะเปลี่ยนถ่ายน้ำมันเครื่องด้วยได้ไหม^{[ 63 ]}การทดสอบ EVA แบบยืนครั้งที่สามซึ่งใช้เวลา 55 นาที ได้ดำเนินการในวันที่ 14 พฤศจิกายน ซึ่งอัลดรินได้ถ่ายภาพ ทำการทดลอง และทิ้งสิ่งของที่ไม่จำเป็นบางส่วน^{[ 61 ] [ 62 ] [ 64 ]}

ยานเจมินี 12 กลับสู่โลกในวันที่ 15 พฤศจิกายน หลังจากโคจรรอบโลก 59 รอบ ระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก กระเป๋าที่บรรจุหนังสือและอุปกรณ์ชิ้นเล็กๆ หลุดออกมาและตกลงบนตักของโลเวลล์ เขาไม่กล้าคว้ามัน เพราะกลัวว่าจะไปดึงห่วงรูปตัว Dที่ใช้กระตุ้นที่นั่งดีดตัวออก มันไม่ได้ขยับไปไหนอีก และการลงจอดก็เป็นไปด้วยดี ยานอวกาศลงจอดห่างจากเรือกู้ภัยUSS Wasp 5.6 กิโลเมตร (3  ไมล์ทะเล; 3.5 ไมล์ ) มีการทดลองทั้งหมด 12 ครั้ง^{[ 65 ]}ภารกิจนี้พิสูจน์ให้เห็นว่ามนุษย์สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพนอกยานอวกาศ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับภารกิจอะพอลโล โดยมีเป้าหมายที่จะส่งมนุษย์ไปเหยียบดวงจันทร์ภายในสิ้นทศวรรษ^{[ 66 ]}  

เมื่อวันที่ 27 มกราคม พ.ศ. 2510 กริสซอม ไวท์ และโรเจอร์ แชฟฟีเสียชีวิตจากเหตุเพลิงไหม้ในยาน อวกาศ อพอลโล 1ในขณะนั้น โลเวลล์อยู่ที่วอชิงตัน ดี.ซี. ซึ่งเขาได้เข้าร่วมพิธีลงนามสนธิสัญญาอวกาศและงานเลี้ยงรับรองในห้องกรี นรูม ของทำเนียบขาวซึ่งจัดโดยประธานาธิบดี ลิ น ดอน จอห์นสัน ร่วมกับนักบินอวกาศคนอื่นๆ ได้แก่ นีล อาร์มสตรอง สก็อตต์ คาร์เพนเตอร์ กอร์ ดอน คูเปอร์ และริชาร์ด กอร์ดอน สี่วันต่อมา โลเวลล์ได้บินไปยังเวสต์พอยต์ รัฐนิวยอร์กพร้อมกับบอร์แมนในเครื่องบินนาซาT-38เพื่อเข้าร่วมพิธีศพของไวท์ที่โบสถ์โอลด์คาเด็ตหลังจากพิธี ไวท์ถูกฝังไว้ที่สุสานเวสต์พอยต์ โลเวลล์ทำหน้าที่เป็นผู้แบกหามโลงศพร่วมกับอาร์มสตรอง บอร์แมน คอนราด สแตฟฟอร์ด และอัลดริน^{[ 67 ] [ 68 ]}

โมดูลบัญชาการ Apolloได้รับการออกแบบใหม่หลังจากเกิดไฟไหม้ และหลังจากนั้นก็ผ่านการทดสอบคุณสมบัติหลายชุด^{[ 69 ]}ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2511 Lovell พร้อมด้วยเพื่อนนักบินอวกาศStuart RoosaและCharles Dukeใช้เวลา 48 ชั่วโมงในโมดูลบัญชาการ CM-007A ลอยอยู่ในอ่าวเม็กซิโกเพื่อทดสอบความสามารถในการเดินเรือของยานอวกาศ Apollo ^{[ 70 ]}เรือวิจัยของ NASA ชื่อ MV Retriever ได้เตรียมพร้อมพร้อมกับช่างเทคนิคและนักดำน้ำ^{[ 71 ]}ในขณะที่นักบินอวกาศประเมินว่าอุปกรณ์ลอยน้ำของยานอวกาศสามารถทำให้ยานกลับมาตั้งตรงจากตำแหน่ง "เสถียร II" (คว่ำ) ได้เร็วเพียงใด ท่อเก็บปัสสาวะถูกใช้เพื่อดูดน้ำที่เข้ามาในห้องโดยสาร^{[ 69 ]}แม้ว่าสิ่งนี้ดูเหมือนจะไม่รบกวน Lovell แต่ Duke ถือว่ามันเป็นประสบการณ์ที่เลวร้ายที่สุดของเขาในฐานะนักบินอวกาศ และ Roosa ก็เมาเรืออย่าง มาก ^{[ 72 ]} หนังสือพิมพ์ NASA Roundupได้เขียนถึงเหตุการณ์นี้ภายใต้หัวข้อข่าวว่า "Yo, Ho, Ho and a Bottle of Marezine" ซึ่งอ้างอิงถึงชื่อแบรนด์ของยาแก้เมารถ^{[ 71 ]}

เดิมที Lovell ได้รับเลือกให้เป็นนักบินโมดูลบัญชาการ (CMP) ในทีมสำรองของ Apollo 9 ร่วมกับ Armstrong ในตำแหน่งผู้บัญชาการ (CDR) และ Aldrin ในตำแหน่ง นักบิน โมดูลลงจอดบนดวงจันทร์ (LMP) Apollo 9 ถูกวางแผนให้เป็นการ ทดสอบวงโคจรโลกที่ จุด สูงสุด ของยานลงจอดบนดวงจันทร์ (LM) ต่อมา Lovell ได้เข้ามาแทนที่ Michael Collins ในตำแหน่ง CMP ในทีมหลักของ Apollo 9 ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2511 เมื่อ Collins ต้องเข้ารับการผ่าตัดรักษาอาการกระดูกงอกที่กระดูกสันหลัง ทำให้ Lovell ได้กลับมาร่วมงานกับ Frank Borman ผู้บัญชาการจาก Gemini 7 อีกครั้ง พร้อมกับWilliam Anders ในตำแหน่ง LMP Aldrin กลายเป็น CMP สำรองของ Lovell และFred Haiseเข้าร่วมทีมของ Armstrong ในตำแหน่ง LMP ^{[ 73 ]}

ความล่าช้าในการก่อสร้างยานลงจอดบนดวงจันทร์ (LM) ลำแรกที่มีลูกเรือ ทำให้ยานไม่พร้อมใช้งานทันเวลาสำหรับการบินในภารกิจ Apollo 8 ซึ่งวางแผนไว้เป็นการ ทดสอบ วงโคจรต่ำของโลกจึงมีการตัดสินใจสลับลูกเรือหลักและลูกเรือสำรองของ Apollo 8 และ Apollo 9 ในตารางการบิน เพื่อให้ลูกเรือที่ได้รับการฝึกฝนสำหรับการทดสอบวงโคจรต่ำสามารถบินในภารกิจApollo 9 ได้ เมื่อยานลงจอดบนดวงจันทร์ (LM) พร้อมใช้งาน การบินโคจรรอบดวงจันทร์ ซึ่งปัจจุบันคือApollo 8ได้เข้ามาแทนที่ภารกิจทดสอบวงโคจรระดับกลางของโลก Apollo 9 เดิม^{[ 73 ]}ลูกเรือได้รับแจ้งเกี่ยวกับการตัดสินใจนี้ในวันที่ 10 สิงหาคม พ.ศ. 2511 และตารางการฝึกอบรมได้รับการปรับเปลี่ยนตามนั้น เริ่มตั้งแต่เดือนกันยายน ลูกเรือใช้เวลาวันละสิบชั่วโมงในเครื่องจำลองเพื่อฝึกซ้อมภารกิจ^{[ 74 ]}

ยานอวกาศ Apollo 8 ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2511 และ Borman, Lovell และ Anders กลายเป็นลูกเรือกลุ่มแรกที่เดินทางไปกับ จรวด Saturn Vรวมถึงเป็นกลุ่มแรกที่เดินทางไปยังดวงจันทร์ [ ^{75 ] ยาน}อวกาศ Apollo ของพวกเขาเข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์ในวันที่ 24 ธันวาคม (วันคริสต์มาสอีฟ) และลดความเร็วลงเพื่อเข้าสู่ วงโคจรที่ มีระยะห่าง 10.9 x 312.1 กิโลเมตร (5.9  x  168.5  ไมล์ทะเล; 6.8 x 193.9 ไมล์ ) จากนั้นจึงจุดเครื่องยนต์อีกครั้งเพื่อเข้าสู่วงโคจรวงกลมรอบดวงจันทร์ที่ มีระยะห่าง 111 กิโลเมตร (60 ไมล์ทะเล; 69 ไมล์ ) ^{[ 74 ]}   

ในคืนก่อนวันคริสต์มาส ลูกเรือได้ออกอากาศภาพโทรทัศน์ขาวดำของพื้นผิวดวงจันทร์กลับมายังโลก โลเวลล์ผลัดกันอ่านข้อความจากเรื่องราวการสร้างโลกในพระคัมภีร์ไบเบิลในหนังสือปฐมกาลร่วม กับบอร์แมนและแอนเดอร์ส ^{[ 76 ]}พวกเขาโคจรรอบดวงจันทร์ทั้งหมด 10 รอบในเวลา 20 ชั่วโมง 10 นาที^{[ 77 ]}และเริ่มเดินทางกลับสู่โลกในวันที่ 25 ธันวาคม (วันคริสต์มาส) ด้วยการจุดจรวดบนด้านไกลของดวงจันทร์ ซึ่งอยู่นอกเหนือการติดต่อทางวิทยุกับโลก เมื่อการติดต่อกลับมาได้ โลเวลล์ได้ออกอากาศว่า "โปรดทราบ มีซานตาคลอส " ^{[ 78 ]}

ในฐานะ CMP โลเวลล์ทำหน้าที่เป็นนักนำทาง โดยใช้เซ็กซ์แทนท์ ของยานอวกาศ เพื่อกำหนดตำแหน่งโดยการวัดตำแหน่งของดาว การวัดเหล่านี้ใช้ในการคำนวณการแก้ไขเส้นทางกลางที่จำเป็น ในช่วงเวลาว่าง เขาทำการสำรวจเส้นทางการนำทาง โดยบังคับโมดูลเพื่อดูดาวและป้อนข้อมูลผ่าน แป้นพิมพ์ ของคอมพิวเตอร์นำทาง Apolloในระหว่างการป้อนข้อมูลครั้งหนึ่ง โลเวลล์ได้ลบหน่วยความจำบางส่วนของคอมพิวเตอร์โดยไม่ได้ตั้งใจโดยการป้อนรหัสผิด ทำให้หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) บันทึกว่าโมดูลมีทิศทางเดียวกันกับก่อนการปล่อยตัว จากนั้น IMU จึงเริ่มการจุดระเบิดของเครื่องยนต์ขับดันเพื่อ "แก้ไข" สำหรับทิศทางที่บันทึกไว้ใหม่นี้^{[ 79 ] [ 80 ]}

หลังจากระบุปัญหาแล้ว ลูกเรือก็รู้ว่าพวกเขาจะต้องป้อนข้อมูลการวางแนวใหม่ โลเวลล์ใช้เวลาประมาณสิบนาทีในการคำนวณค่าที่ถูกต้อง โดยใช้เครื่องขับดันเพื่อจัดแนวดาวริเกลและดาวซิริอุสในเซ็กซ์แทนท์^{[ 80 ]}และอีก 15 นาทีในการป้อนการวัดที่ถูกต้องลงในคอมพิวเตอร์^{[ 77 ]}ประสบการณ์นี้พิสูจน์แล้วว่ามีค่าในระหว่าง ภารกิจ อะพอลโล 13เมื่อโลเวลล์ต้องทำการปรับแนวด้วยตนเองในลักษณะเดียวกันภายใต้สภาวะวิกฤตหลังจากที่ IMU ถูกปิดเพื่อประหยัดพลังงาน^{[ 81 ]}

ลักษณะเด่นบนพื้นผิวดวงจันทร์ ( ภูเขาแมริลิน ) ได้รับการตั้งชื่อโดยโลเวลล์เพื่อเป็นเกียรติแก่ภรรยาของเขา^{[ 82 ]}

ยานอวกาศลงจอดอย่างปลอดภัยก่อนรุ่งสางของวันที่ 27 ธันวาคม หลังจากบินมา 147 ชั่วโมง ห่างจากเรือกู้ภัย เรือบรรทุกเครื่องบินUSS Yorktown 4.8 กิโลเมตร (2.6  ไมล์ทะเล; 3.0 ไมล์ ) คาดว่าลูกเรือเดินทางเป็นระยะทาง933,419 กิโลเมตร (504,006 ไมล์ทะเล; 580,000 ไมล์ ) ^{[ 83 ]}    

โลเวลล์เป็น CDR สำรองของApollo 11โดยมีแอนเดอร์สเป็น CMP และไฮส์เป็น LMP ^{[ 73 ]}ในช่วงต้นปี 1969 แอนเดอร์สรับงานกับสภาการบินและอวกาศแห่งชาติโดยมีผลตั้งแต่เดือนสิงหาคม 1969 และประกาศว่าจะเกษียณจากการเป็นนักบินอวกาศในเวลานั้นเคน แมททิงลีถูกย้ายจากทีมสนับสนุนไปฝึกอบรมร่วมกับแอนเดอร์สในฐานะ CMP สำรอง ในกรณีที่ Apollo 11 ล่าช้าเกินกำหนดการปล่อยในเดือนกรกฎาคม ซึ่งในเวลานั้นแอนเดอร์สจะไม่สามารถปฏิบัติหน้าที่ได้^{[ 84 ]}

ภายใต้การหมุนเวียนลูกเรือตามปกติที่ใช้ในระหว่างโครงการอพอลโล โลเวลล์ แมททิงลี และไฮส์ มีกำหนดจะบินในฐานะลูกเรือหลักของอพอลโล 14แต่จอร์จ มุลเลอร์ผู้อำนวยการสำนักงานการบินอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมของนาซา ปฏิเสธตัวเลือกของสเลย์ตันที่เลือกอลัน เชพาร์ด นักบินอวกาศเมอร์คิวรีเซเว่นคนเดียวกันให้เป็นผู้บัญชาการอพอลโล 13 เชพาร์ดเพิ่งกลับมาบินได้ไม่นานหลังจากถูกระงับการบินเป็นเวลาหลายปี และมุลเลอร์คิดว่าเขาต้องการเวลาฝึกฝนเพิ่มเติมเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับภารกิจไปยังดวงจันทร์ สเลย์ตันจึงถามโลเวลล์ว่าเขายินดีที่จะสลับตำแหน่งกับลูกเรือของเชพาร์ดเพื่อให้พวกเขามีเวลาฝึกฝนมากขึ้นหรือ ไม่ ^{[ 84 ]} "แน่นอน ทำไมจะไม่ได้ล่ะ" โลเวลล์ตอบ "อะไรจะแตกต่างกันระหว่างอพอลโล 13 กับอพอลโล 14 ได้ล่ะ" ^{[ 85 ]}

มีการเปลี่ยนแปลงอีกอย่างหนึ่ง เจ็ดวันก่อนการปล่อยยาน สมาชิกคนหนึ่งของทีมสำรอง Apollo 13 ชื่อ Duke ติดโรคหัดเยอรมันจากเพื่อนของลูกชายเขา^{[ 86 ]}เหตุการณ์นี้ทำให้ทั้งทีมหลักและทีมสำรองซึ่งฝึกฝนด้วยกันเสี่ยงต่อการติดเชื้อ ในบรรดาสมาชิกทั้งห้าคน มีเพียง Mattingly เท่านั้นที่ไม่มีภูมิคุ้มกันจากการสัมผัสเชื้อมาก่อน โดยปกติแล้ว หากสมาชิกคนใดของทีมหลักต้องหยุดปฏิบัติภารกิจ ทีมที่เหลือก็จะถูกเปลี่ยนตัวเช่นกัน และทีมสำรองจะเข้ามาแทนที่ แต่เนื่องจากอาการป่วยของ Duke ทำให้ไม่สามารถทำเช่นนั้นได้^{[ 87 ]}ดังนั้นสองวันก่อนการปล่อยยาน Mattingly จึงถูกแทนที่ด้วยJack Swigertจากทีมสำรอง^{[ 88 ]} Mattingly ไม่เคยเป็นโรคหัดเยอรมันและต่อมาได้บินไปยังดวงจันทร์ในภารกิจApollo 16 ^{[ 89 ]}

โลเวลล์ขึ้นบินไปกับยานอวกาศอะพอลโล 13 เมื่อวันที่ 11 เมษายน พ.ศ. 2513 ^{[ 90 ]}เขาและไฮส์จะลงจอดใกล้กับปล่องภูเขาไฟฟราเมาโร เชื่อกันว่า การก่อตัวของฟราเมาโรประกอบด้วยวัสดุจำนวนมากที่กระเด็นออกมาจากการชนซึ่งเติมเต็มแอ่งอิมเบรียมในช่วงต้นประวัติศาสตร์ของดวงจันทร์ และการหาอายุของมันจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ยุคแรกของโลกและดวงจันทร์^{[ 91 ] [ 92 ]}

ระหว่าง การกวนถัง ออกซิเจนเหลวตาม ปกติ ระหว่างการขนส่งไปยังดวงจันทร์ เกิดไฟไหม้ขึ้นภายในถังออกซิเจน สาเหตุที่นาซาระบุได้น่าจะเป็นฉนวนไฟฟ้าบนสายไฟที่เสียหาย ทำให้เกิดประกายไฟและจุดไฟขึ้น^{[ 93 ]}มีรายงานปัญหาเกี่ยวกับการระบายถังก่อนเริ่มภารกิจ และโลเวลล์ได้อนุมัติการดำเนินการเปิดเครื่องทำความร้อนเพื่อไล่ออกซิเจนออกแทนที่จะเปลี่ยนถังที่ชำรุด ซึ่งจะทำให้ภารกิจล่าช้าไปหนึ่งเดือน ทั้งเขาและลูกเรือบนแท่นปล่อยจรวดไม่ทราบว่าถังมีสวิตช์เทอร์โมสตัทที่ไม่ถูกต้อง เครื่องทำความร้อนถูกเปิดทิ้งไว้เป็นเวลาแปดชั่วโมง และถึงแม้ว่าจะสามารถไล่ออกซิเจนออกได้สำเร็จ แต่ก็ทำให้ฉนวนเทฟลอน ออก จากสายไฟทองแดง ด้วย ^{[ 94 ]}ออกซิเจนเหลวกลายเป็นก๊าซแรงดันสูงอย่างรวดเร็ว ทำให้ถังระเบิดและทำให้ถังออกซิเจนที่สองรั่ว ในเวลาเพียงสองชั่วโมงกว่าๆ ออกซิเจนทั้งหมดบนยานก็หมดไป ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ให้พลังงานไฟฟ้าแก่โมดูลบัญชาการ/บริการOdyssey ใช้งาน ไม่ ได้ ^{[ 95 ]}

ภารกิจ Apollo 13 เป็นภารกิจที่สองที่ไม่ใช้วิถีโคจรแบบอิสระเพื่อที่จะได้สำรวจพื้นที่ทางตะวันตกของดวงจันทร์^{[ 96 ]}โดยใช้ยานลงจอดบนดวงจันทร์ Apolloเป็น "เรือชูชีพ" ที่ให้พลังงานแบตเตอรี่ ออกซิเจน และระบบขับเคลื่อน Lovell และลูกเรือของเขาได้กลับมาใช้วิถีโคจรแบบอิสระที่พวกเขาเคยละทิ้งไป และโคจรรอบดวงจันทร์เพื่อกลับบ้าน^{[ 97 ]}จากการคำนวณของผู้ควบคุมการบินบนโลก Lovell ต้องปรับเส้นทางสองครั้งโดยควบคุมเครื่องยนต์และเครื่องยนต์ขับดันของยานลงจอดบนดวงจันทร์ด้วยตนเอง^{[ 98 ]}

ยาน อวกาศ Apollo 13 กลับสู่โลกอย่างปลอดภัยในวันที่ 17 เมษายน^{[ 99 ]} "ผมเกรงว่า" โลเวลล์กล่าว "นี่จะเป็นภารกิจสำรวจดวงจันทร์ครั้งสุดท้ายไปอีกนาน" ^{[ 100 ]}ความคิดเห็นของเขาถูกโต้แย้งโดยผู้บริหาร NASA โทมัส โอ. เพนซึ่งรีบเร่งให้ประชาชนมั่นใจว่า NASA จะส่งภารกิจไปยังดวงจันทร์มากขึ้น^{[ 101 ]}เก้าเดือนต่อมา Apollo 14 จะเดินทางไปยัง Fra Mauro พร้อมถังออกซิเจนที่ดัดแปลงและแบตเตอรี่สำรองสำหรับกรณีฉุกเฉิน^{[ 100 ]}

ดังที่ Lovell กล่าวกับรายการ "Houston we Have a Podcast" ของ NASA ในปี 2020 ว่า "คุณไม่สามารถมีปัญหาขึ้นมาทันที แล้วก็แค่หลับตาแล้วหวังว่าจะมีปาฏิหาริย์เกิดขึ้น เพราะปาฏิหาริย์เป็นสิ่งที่คุณต้องทำด้วยตัวเอง หรือต้องมีคนมาช่วยคุณ" ^{[ 102 ]}

เส้นทางการบินของ Apollo 13 ทำให้ Lovell, Haise และ Swigert ได้รับสถิติระยะทางที่ไกลที่สุดที่มนุษย์เคยเดินทางจากโลก ซึ่งคงอยู่จนกระทั่ง การบินผ่านดวงจันทร์ ของ Artemis IIในปี 2026 ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]} Lovell เป็นหนึ่งในสามคนเท่านั้นที่ไปถึงดวงจันทร์สองครั้ง แต่ต่างจากอีกสองคนคือ John Young และ Gene Cernan ตรงที่เขาไม่เคยลงจอด^{[ 106 ]}เขาสะสมเวลาอยู่ในอวกาศได้ 715 ชั่วโมง 5 นาทีจากการบินในภารกิจ Gemini และ Apollo ซึ่งเป็นสถิติส่วนตัวที่คงอยู่จนกระทั่ง ภารกิจ Skylab 3ในปี 1973 ^{[ 107 ]}