Главным элементом и главной «изюминкой» ракет «Сатурн» были двигатели F-1, работавшие на компонентах кислород-керосин и развивавшие поистине фантастическую тягу – 680 тонн (для сравнения: один такой двигатель почти вдвое превышал суммарную тягу современной ракетно-космической системы «Союз»). Инженеры американской компании Rocketdyne начали его разработку еще в 1955 году, то есть фактически тогда же, когда советские ракетчики вплотную приступили к проекту межконтинентальной ракеты Р-7. Первое огневое испытание полностью собранного двигателя F-1 на стенде состоялось в марте 1959 года, задолго до полета Юрия Гагарина на «Востоке» и Джона Гленна на «Меркурии». Тем не менее двигатель не использовали на начальном этапе космической программы, поскольку испытания показали, что он еще не готов к серийной эксплуатации. Кроме того, под него не было ракеты: «Редстоун» не годилась под такой «агрегат».
Разработка самой мощной ракеты-носителя в истории человечества шла не один год. Сначала на основе армейского задела была построена двухступенчатая ракета «Сатурн-1» с двигателями меньшей мощности Н-1 и RL-10. Она начала летать в виде первой ступени с водяным баком-балластом вместо второй и при старте 27 октября 1961 года по тяге превзошла советскую Р-7. Ракету продолжали запускать и в дальнейшем для утверждения принимаемых технических решений. Двигатели RL-10, работавшие на компонентах кислород-водород, начали испытывать в 1963 году, принципиально доказав возможность использования нового и куда более перспективного вида топлива. Советские конструкторы в то время о водородно-кислородных двигателях могли только мечтать, а промышленного производства жидкого водорода в СССР попросту не было.
Затем команда Вернера фон Брауна построила «промежуточную» ракету «Сатурн-1Б», в первой ступени которой использовалась связка из восьми двигателей Н-1, а во второй – водородно-кислородный двигатель большой мощности J-2. Эта ракета с грузоподъемностью 25 тонн начала летать в феврале 1966 года и позволяла выводить на околоземную орбиту командно-служебный модуль «Аполлона». Предполагалось, что эта же ракета выведет в космос и первый корабль «Аполлон-1», однако 27 января 1967 года экипаж корабля погиб в пожаре на стартовом комплексе, и многие планы НАСА пришлось пересмотреть.
В ноябре 1967 года начались испытания трехступенчатой ракеты-носителя «Сатурн-5»: на ее первой ступени стояли пять полноразмерных двигателей F-1, на второй – пять J-2, на третьей – один J-2. Отрываясь от земли, ракета одномоментно развивала тягу, эквивалентную тяге шести сотен турбореактивных двигателей истребителей того времени!