Kierownictwo NASA postanowiło, że załoga rezerwowa – Cernan i Thomas Stafford – zostanie załogą podstawową misji Gemini 9A. 3 – 6 czerwca 1966 – uczestniczył w trzydniowej misji Gemini 9A. Wraz z Gordonem Cooperem był w załodze rezerwowej podczas przygotowań do misji Gemini 12. Grudzień 1966 – został wyznaczony do załogi dublerów drugiego lotu załogowego, planowanego w ramach programu Apollo. Maj 1967 – po zmianach w składach załóg, które były związane z katastrofą (podczas przygotowań do lotu) Apollo 1, został przesunięty do składu załogi rezerwowej pierwszego załogowego lotu statku kosmicznego typu Apollo. Październik 1968 – był wraz z Thomasem Staffordem i Johnem Youngiem dublerem załogi misji Apollo 7. 18 – 26 maja 1969 – uczestniczył w locie Apollo 10, będącym próbą generalną przed pierwszym lądowaniem człowieka na Księżycu. Później otrzymał przydział do załogi rezerwowej misji Apollo 14 oraz podstawowej Apollo 17. 7 – 19 grudnia 1972 – był dowódcą Apollo 17, ostatniej wyprawy w ramach tego programu, która wylądowała na powierzchni Księżyca. Wrzesień 1973 – powierzono mu obowiązki specjalnego asystenta dyrektora programu Apollo w Centrum Kosmicznym im. Johnsona.