在他们的火箭将他们送入围绕地球的停泊轨道后，第三级火箭重新点火，将他们送上了登月之路。在为期三天的顺利登月后，约翰·杨、马丁利和杜克于4月19日抵达月球轨道，准备登陆和探索笛卡尔高地，并从月球轨道进行科学观测。

阿波罗16号发射的终端倒计时于4月14日开始，在进行过程中没有出现任何重大问题。KSC发射控制中心（LCC）1号发射室的工程师们对倒计时的所有方面进行了监控，包括对土星5号火箭进行最后的加注燃料。约翰·杨、马丁利和杜克吃了他们传统的牛排和鸡蛋早餐，然后穿上他们的宇航服，乘坐Astrovan车前往39A发射台，在那里他们登上了他们的航天器——指挥舱（CM）卡斯帕。

约翰·杨坐在左边的位置上，杜克坐在右边，最后马丁利在中间落座。数以千计的观众聚集在KSC附近的海滩上，观看发射。时任美国副总统皮罗·西奥多·阿格纽来到发射室的观礼台，与美国宇航局高级管理人员一起观看发射。

倒计时继续顺利进行，为发射提供了完美的天气。1972年4月16日（美国东部时间）下午12点54分，以770万磅的推力升空。阿波罗16号宇航员搭乘土星5号火箭升空。在第一个动作的十秒钟后，火箭离开了发射塔，任务责任从KSC的1号发射室转移到载人航天器中心的任务控制中心（MCC），即现在休斯顿的NASA约翰逊航天中心。

在发射控制中心，飞行主管Eugene F. Kranz带领他的白队控制员监控这一阶段的任务，NASA宇航员C. Gordon Fullerton担任太空舱通讯员（capcom），即在飞行中直接与机组人员交谈的人。在燃烧了2分42秒并将火箭提升到40英里的高度后，第一级发动机关闭，该级被抛弃。

第二级继续为上升提供动力，直到9分20秒，使航天器几乎进入轨道，这时它也被抛弃了，第三级接手。它燃烧了两分半钟，将阿波罗16号送入围绕地球的105英里高的圆形停放轨道。宇航员们随后处于失重状态，约翰·杨热情地报告说：“孩子，在这里看着窗外，真是太美了。它真的很奇妙。这东西像宝石一样工作。”

在接下来的两个半小时里，阿波罗16号仍然与土星5号的第三级相连，围绕地球运行。约翰·杨、马丁利和杜克摘掉了他们的头盔和手套，但仍穿着宇航服。他们与任务控制中心一起确定，所有的机载系统都在正常工作，他们可以继续进行跨月喷射（TLI），这是土星5号第三级的第二次燃烧，将他们送出地球轨道，前往月球。发动机点火并燃烧了5分51秒，将阿波罗16号的速度提高到每小时24,229英里，开始为期三天的登月之旅。

在第三级发动机关闭25分钟后，Fullerton向机组人员宣布他们“开始”进行换位和对接操作。6分钟后，在距离地球4200多英里的地方，马丁利将指挥和服务舱卡斯帕与仍然容纳猎户座登月舱（LM）的废旧级分离。他把卡斯帕移到60英尺以外，然后把它转过来，开始了会合过程。

杜克在窗口设置了一个摄像头，任务控制中心收到了他们慢慢接近登月舱的图像，同时还有杜克所说的"十万个微粒"随行，很可能是登月舱的油漆片。17分钟后，马丁利将两个航天器放在一起，实现了软对接。然后，锁扣将二者连接起来，完成了硬对接。对接演习结束时，在升空后不到三个半小时，阿波罗16号已经离开地球7800多英里了。

当机组人员睡觉时，在任务控制中心，飞行主管Kranz和他的白队控制员重新回到了他们的控制台，宇航员 Anthony W. “Tony” England 成为新的指挥员。经过一个安静的夜晚，机组人员醒来，现在距离地球11.3万英里。当天的第一项活动是启动流体电泳演示实验，以评估在太空中使用电泳分离细胞和大分子的可行性。当天晚些时候， Frank的橙色小组的控制员与Peterson 作为capcom恢复了他们的控制台，以帮助宇航员进行中段修正（MCC-2）机动，2万磅推力的服务推进系统（SPS）发动机的两秒钟燃烧，将最接近月球的点从135英里降低到82英里，这是月球轨道插入（LOI）的正确高度。杨和杜克启动了猎户座登月舱，花了大约两个小时来激活和检查其系统，并转移胶片盒等物品。马丁利在猎户座内部进行了短暂的访问，看了一眼。Philip C. Shaffer，一位被分配到Skylab项目的飞行主管，开始了他的第一班工作，他和他的紫色团队来上夜班，Hartsfield再次担任队长。杨、马丁利和杜克进入了梦乡，随后他们距离地球162000英里。

宇航员们开始了他们在太空中的第三天，距离地球已经有176,000英里。这一天的实验之一是寻求获得更多关于许多登月宇航员所看到的光闪的信息。杨、杜克和马丁利都戴上了Light Flash Moving Emulsion Detector 实验的头盔和面罩，并向任务控制中心报告他们看到的任何光闪的类型、频率和颜色。飞行主管Shaffer决定，他们可以跳过计划中的第三次MCC，因为他们的轨迹仍然是高度精确的。杨和杜克再次启动猎户座，在着陆日的程序演练中，他们穿上宇航服，不戴头盔和手套，并练习通过对接隧道进行转移。在他们的晚餐中，所有三名宇航员都测试了为Skylab计划计划的食品和包装，如扣盖罐、盐包、带勺子的食品包装和塑料波纹管饮料容器。在宇航员入睡前不久，他们越过了标志着地球和月球引力影响范围之间过渡的无形边界，阿波罗16号开始加速向其目标前进。当船员们进入梦乡时，他们与月球之间只有38,700英里的距离。

当杨、马丁利和杜克醒来开始他们在太空中的第四天时，他们已经将与月球的距离拉近到只有22,200英里。由于航天器继续保持稳定的轨道，任务控制中心再次取消了计划中的航向修正机动。宇航员们抛弃了覆盖在服务舱内科学仪器模块（SIM）舱的面板。在发射和月球海岸期间，这个5×9英尺的面板，有时被称为世界上最大的镜头盖，保护了相机和其他仪器以及SIM舱中的一个可部署的子卫星，用于从轨道上研究月球及其环境。

几个小时后，就像以前的月球任务一样，阿波罗16号消失在月球前缘的后面，与任务控制中心的通信也如期停止。阿波罗 16 号在离开地球 74 小时 28 分钟后，在月球后面启动了SPS引擎，持续了6分14秒，进入了绕月运行的椭圆轨道。