La mission devait être l'occasion du premier vol de Saturn V, le plus gros lanceur jamais construit. Il s'agissait également du premier lancement depuis le Launch Complex 39 (LC-39) du centre spatial Kennedy, bâti spécifiquement pour cette fusée. En plus d'inaugurer les deux premiers étages de la fusée, S-IC et S-II, le troisième étage (S-IVB) serait pour la première fois rallumé en orbite et le vaisseau Apollo effectuerait sa première rentrée atmosphérique. Pour recueillir un maximum d'informations sur ces manœuvres, 4098 instruments furent embarqués à son bord.
Cet essai vérifiait l'intégralité du lanceur. En 1963, il fut décidé qu'au lieu de tester indépendamment chaque étage de la fusée, celle-ci soit lancée entière, afin notamment de réduire le nombre de ces tests. Les directeurs du programme Apollo avaient quelques réticences, au vu des risques encourus, mais acceptèrent finalement dans la mesure où des tests individuels auraient inévitablement repoussé la mission d'alunissage après 1970, ce qui était contraire au souhait du président des États-Unis, John Fitzgerald Kennedy.
Il y avait deux charges à bord de la fusée :
- Le module de commande/service CSM-017, un modèle similaire à celui qui devait emmener les astronautes sur la Lune, mais destiné aux tests et privé des modules nécessaires à une mission habitée. Il possédait tout de même un bouclier thermique renforcé et une nouvelle coiffe.
- Le module lunaire fictif LTA-10R, supposé avant tout représenter la masse du véritable module, lequel n'était pas encore construit.
La première pièce du vaisseau Apollo 4 qui arriva au centre spatial Kennedy était le troisième étage de Saturn V, mis au point par Douglas Aircraft, transporté par avion Pregnant Guppy. Les deux autres étages, bien plus imposants, devaient être transportés par bateau, opération déléguée à Boeing qui débarqua à Michoud le long de Banana River. Le second étage étant en retard, la fusée fut malgré tout montée à la verticale, en lui préparant une place.
Le module de commande/service (CSM) arriva la veille de Noël 1966, suivi du second étage le 12 janvier 1967. L'incident d'Apollo 1 se produisit deux semaines plus tard, retardant tout le programme. De plus, une vérification des câblages du module de commande/service révéla 1 407 problèmes.
Le placement du second étage (S-II) se déroula le 23 février. Cependant, il dut être retiré aussitôt, alors que des craquelures furent découvertes sur un autre S-II, afin d'être inspecté. Après vérification, la pièce n'étant pas défectueuse, elle fut à nouveau installée. Le CSM fut placé sur le lanceur le 20 juin et l'intégralité de ce dernier fut placé sur le site de lancement le 26 août, soit six mois après la date originelle du lancement.
