Podílel si i vývoji raketoplánu X-20 Dyna Soar, v létě 1962 ale program opustil a přihlásil se do druhého oddílu astronautů NASA.
V roce 1957 poprvé pilotoval raketové letadlo Bell X-1B, přišel dosáhl výšky přes 18 km. Od října 1958 se účastnil testování raketového letadla X-15, s nímž letěl sedmkrát a dosáhl hypersonické rychlosti 6600 km a dosáhl výšky 63 km. Byl zařazen do skupiny astronautů, kterou připravovalo vyslat do vesmíru letectvo, ale projekt byl zrušen. Podílel si i vývoji raketoplánu X-20 Dyna Soar, v létě 1962 ale program opustil a přihlásil se do druhého oddílu astronautů NASA. V únoru 1965 byl jmenován velitelem záložní posádky kosmické lodě Gemini 5. Do vesmíru se poprvé dostal 16. března 1966 v rámci letu Gemini 8, jehož cílem bylo spojení s posledním stupněm rakety Agena TV-8. Kvůli poruše se však dostalo soulodí do silné rotace, která pokračovala i po oddělní kosmické lidi. Rotaci se podařilo zvládnout, ale neuskutečnil se výstup druhého člena posádky Richarda Gordona do volného prostoru. Pak byl Armstrong zařazen do programu Apollo, v listopadu 1967 byl jmenován velitelem záložní posádky Apolla 9 a pak velitelem záložní posádky Apolla 8. Tím se automaticky dostal na místo velitele Apolla 11.