«Аполло́н-15» стартовал с космодрома Космического центра имени Кеннеди во Флориде 26 июля 1971 года в 13:34 UTC. После примерно полутора витков вокруг Земли астронавты Дэвид Скотт (командир экипажа), Альфред Уорден (пилот командного модуля) и Джеймс Ирвин (пилот лунного модуля), включив двигатель третьей ступени, перевели корабль на траекторию полёта к Луне. Дорога туда заняла немногим больше трёх суток (78,5 часа).
Командный модуль корабля «Индевор» () был назван в честь парусника, на котором британский исследователь и первооткрыватель Джеймс Кук совершил своё первое кругосветное путешествие в 1768—1771 годах. Лунный модуль получил позывные «Фа́лкон» (Falcon, ).
В полёте произошёл целый ряд отказов техники: короткое замыкание в одном из контуров системы управления основным двигателем, разбитое стекло высотомера в лунном модуле, протечка из бака с питьевой водой в командном модуле и другие, но они не повлияли на результаты миссии. На четвёртый день полёта, 29 июля 1971 года, «Аполлон-15» вышел на орбиту вокруг Луны. 30 июля Дэвид Скотт и Джеймс Ирвин совершили четвёртую в истории посадку пилотируемого космического корабля на её поверхность на юго-восточной окраине Моря Дождей, у отрогов Апеннин.
Особенности миссии «Аполлон-15» стал девятым пилотируемым космическим кораблём в рамках программы Аполлон, на котором американские астронавты совершили седьмой полёт к Луне. Он стал первой из трёх так называемых Джей-миссий (). Джей-миссии предусматривали больший, чем прежде, акцент на научных исследованиях лунной поверхности и окололунного пространства, увеличивали продолжительность пребывания астронавтов на Луне до трёх суток и впервые позволили использовать транспортное средство, лунный автомобиль («Лунный ровер»). Наиболее значительным новшеством была установка в служебном отсеке корабля модуля научных приборов (). Его аппаратура и фотокамеры в течение нескольких дней изучали Луну с орбиты. В модуле научных приборов располагался и небольшой искусственный спутник, который был запущен ближе к концу миссии.
Чтобы выполнить возложенные на него задачи, «Аполлон-15» должен был доставить к Луне на 1815 кг полезного груза больше, чем «Аполлон-14». Это количество складывалось из масс «луномобиля» (около 209 кг), дополнительного научного оборудования и расходных материалов (кислорода, воды, питания). Понижение высоты околоземной орбиты ожидания (перед переходом на траекторию полёта к Луне) со 185 км до примерно 170 км позволило увеличить полезную нагрузку. Диапазон азимута при взлёте был изменён с 72—96° до 80—100°. Пришлось также сократить резервы топлива, а на первой ступени (S-IC) ракеты-носителя (РН) Сатурн-5 вдвое (с восьми до четырёх) уменьшить количество тормозных ракетных двигателей (для отвода первой ступени от второй).
Для увеличения сроков пребывания астронавтов на Луне на посадочной ступени лунного модуля были смонтированы второй бак с водой и второй бак с газообразным кислородом, а также дополнительная термоизоляция. Грузовые отсеки посадочной ступени были перепрофилированы. 1-й отсек (справа от лестницы, если смотреть на лунный модуль) предназначен для транспортировки «луномобиля». Раньше в нём располагались зонтичная коротковолновая антенна и лазерный отражатель. Грузоподъёмность 4-го отсека (слева от лестницы), предназначенного для транспортировки научного оборудования, была увеличена с 91 кг (у «Аполлона-14») до 272 кг. На 8,5 см увеличены размеры топливных баков посадочной ступени, что повысило их вместимость на 521 кг. Это продлило время зависания лунного модуля перед посадкой до 157 секунд (у «Аполлона-14» было 140 секунд).
Старт и выход на орбиту Земли В течение месяца, предшествовавшего дню намеченного запуска, над Космическим центром имени Кеннеди несколько раз бушевали грозы. Молнии четыре раза попадали в наземные конструкции стартовой площадки 39-А, но они не повредили ни ракету-носитель, ни космический корабль. В день запуска, 26 июля 1971 года, во Флориде стояла солнечная, практически безоблачная погода. В 4 часа 19 минут утра по Североамериканскому восточному времени, за 5 часов 15 минут до старта, Дэвид Скотт, Альфред Уорден и Джеймс Ирвин были разбужены своим боссом, заместителем директора НАСА по подготовке экипажей Дональдом Слейтоном. После медосмотра, подтвердившего отличное состояние здоровья астронавтов, они позавтракали в компании Слейтона и своих коллег из дублирующего экипажа и команды поддержки. Сразу после завтрака Скотт, Уорден и Ирвин облачились в скафандры и поехали на стартовую площадку. За два с половиной часа до запуска они заняли свои места в кабине космического корабля.
Старт «Аполлона-15» состоялся в 13:34 UTC 26 июля 1971 года, всего на 0,187 секунды позже графика. Через 1,35 секунды после старта корабль совершил манёвр отклонения от вертикали на 1,25° в сторону, противоположную от башни обслуживания, для того, чтобы случайный порыв ветра не привёл к соприкосновению ракеты-носителя с башней. Через 9 секунд после старта, когда башня обслуживания осталась внизу, ракета вернулась в вертикальное положение. Через 13 секунд корабль начал манёвр по крену (поворот вокруг продольной оси), а после его окончания, через 27 секунд после старта, начал отрабатываться манёвр по тангажу для того, чтобы начать формировать траекторию выхода на орбиту искусственного спутника Земли, лежащую в плоскости с азимутом 88,088°. Через 2 минуты 41 секунду после старта, на высоте примерно 70 км над Землёй произошло разделение первой (S-IC) и второй (S-II) ступеней РН. Процесс разделения первой и второй ступеней носителя «Аполлона-15» происходил не так, как у других «Аполлонов». На сбрасываемом переходном отсеке между первой и второй ступенями РН AS-510 не было ни одного ракетного двигателя твёрдого топлива (РДТТ) для усадки топлива в баках второй ступени (с «Аполлона-8» по «Аполлон-14» включительно их было четыре). Кроме того, вместо 8 тормозных РДТТ, как на прежних РН Сатурн-5, на первой ступени РН было только 4 тормозных РДТТ. Все эти двигатели были убраны для уменьшения массы РН и увеличения полезной нагрузки. В результате, разделение ступеней прошло не совсем так, как рассчитывали конструкторы. После отключения по команде ЖРД F-1 первой ступени их тяга очень быстро уменьшилась до 2 %, но в результате «импульса последействия» она упала до 0 только через 4 секунды после этого. При этом ускорение, приданное пустой и лёгкой первой ступени, оказалось больше расчётного. Расстояние между ступенями при запуске двигателей второй ступени было меньше ожидавшегося, и струи раскалённых газов сожгли телеметрическую аппаратуру, установленную в верхней части первой ступени. По результатам послеполётного анализа, в целях минимизации рисков, в оставшихся полётах решено было вернуться к прежней конфигурации тормозных ракетных двигателей — восемь, а не четыре.
В начале 6-й минуты полёта, на высоте 163 км, корабль летел уже практически горизонтально, набирая необходимую орбитальную скорость 7,8 км/с. Примерно через 6 с половиной минут после старта «Аполлон-15» достиг высоты 174,9 км, его скорость возросла до 4,57 км/с. Он уже находился выше расчётной орбиты, так что в течение нескольких последующих минут ему предстояло лететь «носом вниз». После 9 минут 9 секунд полёта были отключены двигатели второй ступени, через 1 секунду после этого третья ступень (S-IVB) отделилась от второй, и ещё через 0,1 секунды сработало зажигание единственного двигателя (J-2) третьей ступени. Через 11 минут 34 секунды после старта по команде бортового компьютера был выключен двигатель третьей ступени, «Аполлон-15» вышел на расчётную орбиту ожидания (с апогеем 171,3 км и перигеем 169,5 км) для последующего перехода на траекторию полёта к Луне. Двигатель отработал на 3,8 секунды меньше расчётного времени, поскольку скорость, развитая всеми тремя ступенями, оказалась немного больше ожидавшейся. Экипаж впервые в ходе миссии оказался в состоянии невесомости, после того как во время взлёта перегрузки достигали 4 G. Когда «Аполлон-15» вышел на околоземную орбиту, его нос оказался на 18° наклонён вниз, к Земле. В предыдущих полётах, на более высоких орбитах ожидания, этот наклон был меньше, в пределах от 6° до 10°. Двигатели системы ориентации третьей ступени выровняли корабль, переведя его в горизонтальное положение относительно земной поверхности. Манёвр поворота был совершён на скорости 0,3° в секунду. В результате него в баке с жидким кислородом, который был ещё заполнен почти на 3/4, образовалась волна, и 220 кг жидкого кислорода были потеряны через клапан, специально открытый перед манёвром. Для минимизации этих потерь в ходе последующих миссий этот поворот делался медленнее, со скоростью 0,14° в секунду.
Астронавты занялись проверкой всех систем корабля перед включением двигателя третьей ступени и переходом на траекторию полёта к Луне. Уже на первом витке они начали выполнять научную программу «Аполлона-15», сделав несколько снимков Земли на камеру с объективом, прозрачным для ультрафиолетовых лучей, через один из иллюминаторов «Индевора», выполненный из кварца. При этом у них было и время полюбоваться видами Земли с орбиты. Адаптация к невесомости у всех троих проходила нормально. Скотт, как ветеран двух космических полётов, советовал коллегам поначалу поменьше двигаться. И Скотт, и Уорден, и Ирвин отмечали во время послеполётного опроса, что у них было чувство некоторой тяжести в голове, но никаких неприятных или болезненных ощущений не было. Скотт относил это на счёт очень интенсивных тренировок на самолётах Т-38, когда астронавты выполняли пилотажные программы, насыщенные сложными фигурами высшего пилотажа. Правда, Ирвин ещё признавал, что у него были лёгкие головокружения, которые продолжались первые три дня.
Старт к Луне и первый день полёта Через 2 часа 50 минут и 1 секунду после старта с Земли, на втором витке, в районе Гавайских островов двигатель третьей ступени «Аполлона-15» был снова включён. Он проработал 5 минут 51 секунду и разогнал корабль до скорости 10,827 км/с. «Аполлон-15» перешёл на траекторию полёта к Луне. Примерно через 26 минут после этого астронавты начали манёвр перестроения отсеков и стыковки командно-служебного модуля с лунным модулем, который находился в верхней части третьей ступени. Перед началом манёвра «Аполлон-15» находился уже в 6767 км от Земли, а его скорость под действием земной гравитации упала до 7,674 км/с. Альфред Уорден, пилот командного модуля, пересев в левое, командирское кресло, в ручном режиме с помощью двигателей системы ориентации отвёл «Индевор» от третьей ступени и совершил переворот корабля на 180° со скоростью 2° в секунду. Для сближения он на 4 секунды включил двигатели ориентации. В момент стыковки скорость сближения «Индевора» и «Фалкона» составляла 0,03 м/сек. После первого касания захвата не произошло, и тогда Уорден ещё на 1—2 секунды включил двигатели системы ориентации. Командно-служебный и лунный модули состыковались. Джеймс Ирвин снимал процесс сближения и стыковки на цветную телекамеру, изображение напрямую транслировалось на Землю. После стыковки и стягивания был произведён наддув переходного тоннеля и кабины «Фалкона» кислородом из кабины командного модуля. Для этого был открыт клапан выравнивания давления, расположенный в центре переднего люка «Индевора» (такой же клапан в верхнем люке лунного модуля был специально оставлен открытым ещё при сборке на Земле). Когда давление выровнялось, Уорден открыл люк «Индевора» и проверил 12 автоматических стыковочных замков. Один из них не защёлкнулся, его пришлось закрыть вручную. Уорден также соединил два кабеля внутри тоннеля, объединив электросистемы командно-служебного и лунного модулей, и закрыл люк. После срабатывания четырёх пироболтов, с помощью которых лунный модуль крепился к третьей ступени, пружины оттолкнули от неё два состыкованных корабля со скоростью 0,25 м/с. Включение двигателей системы ориентации служебного модуля добавило к этой скорости ещё 0,12 м/с. Перестроение, стыковка и отход от третьей ступени продолжались чуть менее часа.