1963 ല് പതിനാല് ബഹിരാകാശയാത്രികരുടെ സംഘത്തിന്റെ ഭാഗമായി തിരഞ്ഞെടുക്കപ്പെട്ട അദ്ദേഹം രണ്ടുതവണ ബഹിരാകാശത്തേക്ക് പറന്നു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ ആദ്യത്തെ ബഹിരാകാശ യാത്ര ജെമിനി 10 ലായിരുന്നു. മനുഷ്യനെ ആദ്യമായി ചന്ദ്രോപരിതലത്തില് എത്തിച്ച അപ്പോളോ 11-ന്റെ കമാന്ഡ് മൊഡ്യൂള് പൈലറ്റ് എന്ന നിലയിലായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിന്റെ രണ്ടാമത്തെ ബഹിരാകാശ യാത്ര. കോളിന്സ് ചന്ദ്രനുചുറ്റും ഭ്രമണപഥത്തില് കഴിയുമ്പോള്, നീല് ആംസ്ട്രോങ്ങും ബസ്സ് ആല്ഡ്രിനും അപ്പോളോ ചാന്ദ്ര മൊഡ്യൂളില് പുറപ്പെട്ടു അതിന്റെ ഉപരിതലത്തില് ആദ്യത്തെ ലാന്ഡിംഗ് നടത്തി. ചാന്ദ്രയാത്ര നടത്തിയ 24 പേരില് ഒരാളാണ് കോളിന്സ്. 30 തവണ അദ്ദേഹം ചന്ദ്രനെ പരിക്രമണം ചെയ്തു. ബഹിരാകാശത്ത് നടന്ന നാലാമത്തെ വ്യക്തി, ഒന്നിലേറെത്തവണ ബഹിരാകാശത്ത് നടന്ന ആദ്യ മനുഷ്യന്, ഒറ്റയ്ക്ക് ചന്ദ്രനെ വലം വച്ച രണ്ടാമത്തെ വ്യക്തി എന്നീ ബഹുമതികള് കോളിന്സ് നേടി.