Scott subiu pela primeira vez em março de 1966, na Gemini VIII, em companhia de Neil Armstrong, mas foram obrigados a voltar a Terra, antes do encerramento da missão, por mau funcionamento da espaçonave. Em 1969 ele tomou parte na missão Apollo 9 que fez os testes definitivos na órbita terrestre da espaçonave e do pequeno módulo destinado a pousar na Lua, simulando com precisão a atracação do módulo na nave, num hipotético retorno da superfície lunar.

Seu grande momento como astronauta, porém, veio em julho de 1971, quando no comando da missão Apollo 15 tornou-se o sétimo homem a caminhar na superfície da Lua. A tripulação da Apollo 15, formada por Scott,Alfred Worden e James Irwin, foi a quarta missão humana a visitar o satélite, descendo na montanhosa região chamada de canais Hadley , nos Apeninos lunares. O módulo Orion ficou 66 horas sobre a superfície da Lua e Scott e Irwin foram os primeiros a andar de jipe lunar no terreno rugoso da região, passando dezoito horas fora da nave num período de três dias e trazendo 82 kg de material rochoso de volta à Terra. Alfred Worden, que não desceu na Lua por ser o piloto do Módulo de Comando em órbita, realizou o primeiro passeio extra-veicular da história durante uma travessia entre o planeta e o satélite, na viagem de retorno.