在他們的火箭將他們送入圍繞地球的停泊軌道后，第三級火箭重新點火，將他們送上了登月之路。在為期三天的順利登月后，約翰·楊、馬丁利和杜克于4月19日抵達月球軌道，準備登陸和探索笛卡爾高地，并從月球軌道進行科學觀測。

阿波羅16號發射的終端倒計時于4月14日開始，在進行過程中沒有出現任何重大問題。KSC發射控制中心（LCC）1號發射室的工程師們對倒計時的所有方面進行了監控，包括對土星5號火箭進行最后的加注燃料。約翰·楊、馬丁利和杜克吃了他們傳統的牛排和雞蛋早餐，然后穿上他們的宇航服，乘坐Astrovan車前往39A發射臺，在那里他們登上了他們的航天器——指揮艙（CM）卡斯帕。

約翰·楊坐在左邊的位置上，杜克坐在右邊，最后馬丁利在中間落座。數以千計的觀眾聚集在KSC附近的海灘上，觀看發射。時任美國副總統皮羅·西奧多·阿格紐來到發射室的觀禮臺，與美國宇航局高級管理人員一起觀看發射。

倒計時繼續順利進行，為發射提供了完美的天氣。1972年4月16日（美國東部時間）下午12點54分，以770萬磅的推力升空。阿波羅16號宇航員搭乘土星5號火箭升空。在第一個動作的十秒鐘后，火箭離開了發射塔，任務責任從KSC的1號發射室轉移到載人航天器中心的任務控制中心（MCC），即現在休斯頓的NASA約翰遜航天中心。

在發射控制中心，飛行主管Eugene F. Kranz帶領他的白隊控制員監控這一階段的任務，NASA宇航員C. Gordon Fullerton擔任太空艙通訊員（capcom），即在飛行中直接與機組人員交談的人。在燃燒了2分42秒并將火箭提升到40英里的高度后，第一級發動機關閉，該級被拋棄。

第二級繼續為上升提供動力，直到9分20秒，使航天器幾乎進入軌道，這時它也被拋棄了，第三級接手。它燃燒了兩分半鐘，將阿波羅16號送入圍繞地球的105英里高的圓形停放軌道。宇航員們隨后處于失重狀態，約翰·楊熱情地報告說：“孩子，在這里看著窗外，真是太美了。它真的很奇妙。這東西像寶石一樣工作。”

在接下來的兩個半小時里，阿波羅16號仍然與土星5號的第三級相連，圍繞地球運行。約翰·楊、馬丁利和杜克摘掉了他們的頭盔和手套，但仍穿著宇航服。他們與任務控制中心一起確定，所有的機載系統都在正常工作，他們可以繼續進行跨月噴射（TLI），這是土星5號第三級的第二次燃燒，將他們送出地球軌道，前往月球。發動機點火并燃燒了5分51秒，將阿波羅16號的速度提高到每小時24,229英里，開始為期三天的登月之旅。

在第三級發動機關閉25分鐘后，Fullerton向機組人員宣布他們“開始”進行換位和對接操作。6分鐘后，在距離地球4200多英里的地方，馬丁利將指揮和服務艙卡斯帕與仍然容納獵戶座登月艙（LM）的廢舊級分離。他把卡斯帕移到60英尺以外，然后把它轉過來，開始了會合過程。

杜克在窗口設置了一個攝像頭，任務控制中心收到了他們慢慢接近登月艙的圖像，同時還有杜克所說的"十萬個微粒"隨行，很可能是登月艙的油漆片。17分鐘后，馬丁利將兩個航天器放在一起，實現了軟對接。然后，鎖扣將二者連接起來，完成了硬對接。對接演習結束時，在升空后不到三個半小時，阿波羅16號已經離開地球7800多英里了。

當機組人員睡覺時，在任務控制中心，飛行主管Kranz和他的白隊控制員重新回到了他們的控制臺，宇航員 Anthony W. “Tony” England 成為新的指揮員。經過一個安靜的夜晚，機組人員醒來，現在距離地球11.3萬英里。當天的第一項活動是啟動流體電泳演示實驗，以評估在太空中使用電泳分離細胞和大分子的可行性。當天晚些時候， Frank的橙色小組的控制員與Peterson 作為capcom恢復了他們的控制臺，以幫助宇航員進行中段修正（MCC-2）機動，2萬磅推力的服務推進系統（SPS）發動機的兩秒鐘燃燒，將最接近月球的點從135英里降低到82英里，這是月球軌道插入（LOI）的正確高度。楊和杜克啟動了獵戶座登月艙，花了大約兩個小時來激活和檢查其系統，并轉移膠片盒等物品。馬丁利在獵戶座內部進行了短暫的訪問，看了一眼。Philip C. Shaffer，一位被分配到Skylab項目的飛行主管，開始了他的第一班工作，他和他的紫色團隊來上夜班，Hartsfield再次擔任隊長。楊、馬丁利和杜克進入了夢鄉，隨后他們距離地球162000英里。

宇航員們開始了他們在太空中的第三天，距離地球已經有176,000英里。這一天的實驗之一是尋求獲得更多關于許多登月宇航員所看到的光閃的信息。楊、杜克和馬丁利都戴上了Light Flash Moving Emulsion Detector 實驗的頭盔和面罩，并向任務控制中心報告他們看到的任何光閃的類型、頻率和顏色。飛行主管Shaffer決定，他們可以跳過計劃中的第三次MCC，因為他們的軌跡仍然是高度精確的。楊和杜克再次啟動獵戶座，在著陸日的程序演練中，他們穿上宇航服，不戴頭盔和手套，并練習通過對接隧道進行轉移。在他們的晚餐中，所有三名宇航員都測試了為Skylab計劃計劃的食品和包裝，如扣蓋罐、鹽包、帶勺子的食品包裝和塑料波紋管飲料容器。在宇航員入睡前不久，他們越過了標志著地球和月球引力影響范圍之間過渡的無形邊界，阿波羅16號開始加速向其目標前進。當船員們進入夢鄉時，他們與月球之間只有38,700英里的距離。

當楊、馬丁利和杜克醒來開始他們在太空中的第四天時，他們已經將與月球的距離拉近到只有22,200英里。由于航天器繼續保持穩定的軌道，任務控制中心再次取消了計劃中的航向修正機動。宇航員們拋棄了覆蓋在服務艙內科學儀器模塊（SIM）艙的面板。在發射和月球海岸期間，這個5×9英尺的面板，有時被稱為世界上最大的鏡頭蓋，保護了相機和其他儀器以及SIM艙中的一個可部署的子衛星，用于從軌道上研究月球及其環境。

幾個小時后，就像以前的月球任務一樣，阿波羅16號消失在月球前緣的后面，與任務控制中心的通信也如期停止。阿波羅 16 號在離開地球 74 小時 28 分鐘后，在月球后面啟動了SPS引擎，持續了6分14秒，進入了繞月運行的橢圓軌道。