土星5号火箭的研究背景很简单：60年代，火箭运载能力慢慢的变成了限制美国航天发展的最核心因素。
因为60年代，美国航天发展最重要的目标是阿波罗登月。正如肯尼迪总统1961年在莱斯大学演讲时说的那样：“我们最终选择登陆月球，不是因为它简单，而是因为它真的很难”。
1961-1965年，9个游骑兵（Ranger）任务，全方面获得月球表面情况。
1966-1967年，5个月球轨道器（Lunar Orbiter）任务，重点勘查适合载人登陆的区域并绘制出详细地形地貌图。
阿波罗12号任务时降落地点就在为它做前期准备的测量员附近，也造就了人类两个航天任务在月球表面相遇的神奇纪录
1966-1968年，7个测量员（Surveyor）任务，着陆器直接降落月球，获得未来阿波罗载人登月着陆地区的第一手资料，其中5个任务着陆成功。
1964-1966年，12个双子座（Gemini）载人航天任务，验证了出舱行走、交会对接等核心技术，所有的阿波罗登月宇航员都是这一个项目培养出来的。
也就是说，在阿波罗登月之前，NASA（美国国家航空航天局）已经完全了解了月球着陆区的环境、相关的载人航天技术都储备完毕。例如，阿姆斯特朗在双子座8号任务时变成全球首个完成航天器交会对接任务的人，登月第一人的资格足够。
登月远比地球附近的载人航天复杂，近地轨道运力几吨、几十吨的火箭远远不足，火箭成为限制载人登月方案的最大因素。
当时总共有四种方案。1.月球直接往返；2.月球表面集合，用重型火箭分两次任务发射；3.地球轨道集合，用大中型火箭多次发射，在地球附近组装后载人登月；4.月球轨道集合，飞船到月球后，一部分登陆，一部分留轨。
第1种方案要求重达4000-5000吨级别的火箭，实在太难，人类也许在阿波罗登月后100年内都不会造出来。因我们在登月50年后，连土星5号级别的火箭都还没造出来；第2种，对月球着陆技术方面的要求太高，几乎不可能；第3种，当时交会对接技术还没突破，多次对接风险也特别大。最终，阿波罗载人登月选择了方案4，它需要一枚近地轨道运力达到140吨级、月球转移轨道运力达到45吨级的火箭。
任务最后落到了冯·布劳恩团队头上，这位在二战结束后被“回纹针”绝密行动带回美国的德国火箭专家事后也被证明是人类史上最伟大的火箭科学家、没有之一，他在二战后几乎主导了美国所有火箭的研发。1961年登月计划公布后，他们获得天量的资金。
那时候，钱不是问题，问题是能不能把“问题”解决。冯·布劳恩团队不负众望，在他们此前的研究基础上，最终给出了土星A（Saturn-A1，Saturn-A2）、土星B（Saturn-B1）和土星C（Saturn-C1、Saturn-C2、Saturn-C3、Saturn-C4、Saturn-C5）的庞大土星系列火箭家族。当然，冯·布劳恩还提出了C8这个型号，它理论上能够实现直接登月、直接返回（前文方案1），不过以当时的资源、甚至今天的资源都很难实现。
土星是个庞大的载人火箭家族，只不过土星5号（C5）实在太出名掩盖了其他的光辉
土星5号的很多指标是非常惊人的，它的总重量约为2970吨，最大直径10.1米，高度110.6米，近地轨道运力140吨，地月转移轨道极限运力48.6吨。以中国现役最强火箭长征5号对比而言，长征5号总重量约为867吨，最大直径5米，高度57米，近地轨道运力25吨，地月转移轨道运力8吨。
火箭第一级总重约2290吨，其中壳体与发动机质量仅为130吨，2160吨都为燃料，为液氧煤油，发动机上班时间标准流程为165秒，发动机总推力达到了惊人的3510吨！第一级平均每一秒燃烧13.1吨燃料，换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车围绕地球赤道开4圈半！
第二级总重约496吨，其中壳体与发动机质量仅为40吨，456吨都为燃料，为液氧液氢，发动机上班时间标准流程为360秒，发动机总推力为514吨；对于第二级消耗的燃料（液氧液氢单位体积内的包含的能量是液氧煤油的1.6倍左右），足够开车绕地球赤道250圈。
第三级总重约123吨，其中壳体与发动机质量仅为13吨，110吨都为燃料，为液氧液氢，发动机上班时间标准流程为两次共计500秒，发动机总推力为100吨。第三级的燃料够开车绕地球60圈。
美丽的《地出》来自阿波罗8号任务，人类首次到月球附近，阿波罗11号时才着陆
更惊人之处在于，这个火箭的可靠性也是很高的。1967年11月9日，阿波罗4号无人测试任务，土星5号成功首飞。但是，1968年的12月11日，它就已经送阿波罗8号乘组前往月球，他们也拍下来载入史册的经典图片《地出》，这是人类首次从月球看地球。从1967年到1973年，土星5号火箭完成了13次发射任务（12次阿波罗，1次天空实验室）。除了阿波罗6号无人测试时出现了发动机技术问题、但并未酿成大祸，其余都是完全成功，运送了24人前往月球，最终12人登陆月球。
相比较而言，苏联同时代的登月火箭N1却反复遭遇失败，连续4次试射均在升空后不久爆炸，成为人类载入史册的最强人工（非核）爆炸，苏联最终退出登月竞赛，秘密开始载人空间站计划，也就是礼炮1-7号共计9个空间站（7个成功）。礼炮1号在1971年4月19日秘密升空，随后震惊世人，美国在载人空间站领域被苏联超越。
此时，又是土星5号脱颖而出，把天空实验室空间站（Skylab）送入太空。这个空间站的设计逻辑能这么简化为“来不及了，还设计啥空间站，直接把土星5号的最上级装大量仪器不就行了，做个百吨级的空间站够用么？而且所有仪器你地面都装好，不用蚂蚁搬家往天上运，反正我们能一次发上去！”。至于载人飞船，则使用阿波罗18-20号飞船，这几个原计划登月的任务在后期被取消。
1973年5月14日，天空实验室升空，它由土星5号的第三级S-IVB改造而来，有轨道舱、空间望远镜、对接舱、气闸舱、服务单元、仪器单元等部分，空重77吨，对接阿波罗飞船状态下超过90吨。内部加压空间超过351立方米，相当于一栋巨大的房子飞在空中。载人对接任务时，甚至不需要用巨大的土星5号火箭，用近地轨道运力在20吨的土星IB火箭发射阿波罗飞船即可。
强大土星5号火箭的存在，使得美国立即又在空间站领域赶上并超过苏联。但是，在70年代后，土星5号还是遗憾退役了。有一系列原因。
首先，它实在太贵了。以1960-1970年代的美元计，土星5号研发费用是64亿美元，一次发射的价格就是1.8亿美元，那个年代的1.8亿美元有可能可以等同于今天的12亿美元。
其次，应用需求不再。美国靠着这个火箭，登上月球，在太空竞赛中制霸苏联，在冷战中占据先机，在东西方两大阵营对抗中重夺主动权。但1975年前后，苏美签订了一系列协议，中止太空竞赛，双方砍掉了大量航天项目，尤其是需要重型火箭的任务，土星5号一下失去了需求。
土星5号创造了人类火箭天顶科技，那是特殊政治的时代、不计成本的投入、深厚积累的技术等一系列原因共同促成的，如今很难再有机会达到当年那个状态了。
NASA在研的新一代重型火箭太空发射系统和猎户座飞船同样昂贵，目前研制花费已经近400亿美元
目前，世界各航天大国都在“慢慢来”，NASA的太空发射系统、SpaceX的大猎鹰火箭、蓝色起源的新阿姆斯特朗、俄罗斯的新联盟和安加拉、中国的长征9号都处在在研或论证阶段，它们的最终设计目标都是达到土星5号的级别，但达到这种成熟版本预计都会在2030年以后。
而要想超过土星5号，例如达到曾经的土星C8级别，就目前的环境来看，阿波罗登月后100周年纪念时能实现就已经是人类航天的新奇迹。
