Peu après le décollage du centre spatial Kennedy, le lanceur Saturn V fut frappé par la foudre. Les instruments du module de commande s'éteignirent temporairement, et les données télémétriques du centre de contrôle furent interrompues quelques secondes. Lorsque le système se rétablit, les données étaient altérées et renvoyaient des informations probablement incomplètes et inexactes. John Aaron, consultant à la NASA, pensa que cela était lié à une défaillance d'un instrument à bord de la fusée, le SCE (Signal Conditioning Equipment), qui convertit les données brutes en données utilisables par les indicateurs du vaisseau et au sol. Il aurait rendu l'âme lors du passage de l'éclair à cause du survoltage engendré par celui-ci.
Gardant cela à l'esprit, il suggéra à l'équipage de passer le SCE sur son alimentation auxiliaire, afin de le redémarrer. Les manipulations étaient un peu obscures et ni le directeur de vol, ni les capcoms, ni le commandant de la mission ne pouvaient se souvenir de la séquence à effectuer. Finalement, le pilote du module lunaire, Al Bean, se souvint que l'interrupteur du SCE était sur son panneau de commande, à cause d'un incident survenu une année auparavant, lors de l'entraînement, avant le lancement qui préparait à une telle manœuvre. Aaron et Bean ont réussi à redémarrer le SCE, sans quoi la mission aurait probablement été annulée. La télémétrie étant rétablie, l'équipage fut placé en orbite où ils eurent l'occasion de vérifier que le vaisseau n'était pas endommagé et que les instruments fonctionnaient correctement. Ils allumèrent alors le troisième étage (S-IVB) pour effectuer l'injection translunaire (Trans Lunar Injection, TLI).
Le S-IVB était, à l'origine, destiné à se placer en orbite héliocentrique en consommant le reste de carburant, afin qu'il n'interfère plus avec la mission. Cependant, une combustion prolongée avait privé l'étage d'une trop grande quantité de carburant pour qu'il s'échappe du système Terre-Lune : il effectua alors une orbite autour de la Terre, passa près de la Lune le 18 novembre 1969, passa en orbite solaire en 1971, rentra brièvement en orbite terrestre 31 ans plus tard. L'astronome amateur Bill Yeung lui donna la dénomination temporaire J002E3, avant de se rendre compte qu'il s'agissait d'un objet artificiel.
Le module lunaire se posa dans l'océan des Tempêtes, où des missions inhabitées avait déjà eu lieu (Luna 5, Surveyor 3 et Ranger 7). L'IAU lui donna par ailleurs le nom alternatif Mare Cognitium, « Mer de la Connaissance ». Le site d'atterrissage sera nommé Statio Cognitium.
Ce second atterrissage sur la Lune était surtout un exercice de précision : la descente était automatisée, ne nécessitant que quelques corrections manuelles par Conrad. Alors qu'Apollo 11 se posa de manière presque aléatoire, bien en dehors de la zone prévue, Apollo 12 réussit un atterrissage parfait. En réalité, Conrad posa le module lunaire à 177 m du site prévu, ce dernier semblant trop abrupt.
Afin d'améliorer la qualité des images de télévision prises depuis la Lune, une caméra couleur fut embarquée sur Apollo 12. Malheureusement, alors que Bean apportait la caméra près du module lunaire pour l'installer, il la dirigea par erreur directement vers le Soleil, ce qui brûla les capteurs. La couverture télévisuelle de l'évènement s'arrêta aussitôt, et les seules images de la Lune rapportées par la mission étaient les photographies noir et blanc.
Conrad et Bean récupérèrent des pièces de Surveyor 3, qu'ils ramenèrent sur Terre pour être analysées. Ils ramassèrent également 34 kg de roches et placèrent un sismographe, un analyseur de flux solaire et un magnétomètre qui enverraient automatiquement leurs mesures à la Terre. Gordon, depuis Yankee Clipper, en orbite lunaire, effectua plusieurs photographies multispectrales de la surface.
La plaque lunaire, attachée à l'étage de descente de l’Intrepid représentait la Terre et portait les inscriptions (en acier poli inoxydable sur acier brossé) : APOLLO 12, 1969, ainsi que les noms et signatures des astronautes.
L'étage d'ascension du module lunaire fut abandonné, comme prévu, alors que Conrad et Bean rejoignaient Gordon en orbite. Il s'écrasa le 20 novembre 1969 à 3,94 S, 21,20 W. Les sismomètres enregistrèrent le choc et ses échos pendant plus d'une heure. L'équipage resta un jour supplémentaire en orbite, prenant notamment des photographies.
Le Yankee Clipper amerrit le 24 novembre 1969, à 20 h 58 min UTC à environ 800 km des Samoa américaines. Durant cette manœuvre, une caméra 16 mm se détacha et frappa violemment Bean au front, lui faisant perdre temporairement conscience. La blessure, bénigne, ne lui valut que six points de suture. Le module fut récupéré par l'USS Hornet.
Le Yankee Clipper est exposé au Virginia Air and Space Center de Hampton. L'USS Hornet est depuis transformé en musée, accessible au public, à Alameda.
La caméra de Surveyor 3, récupérée par Apollo 12, réside désormais au National Air and Space Museum.