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La question des étages supérieurs du lanceur était jusque-là restée en suspens : l'utilisation d'étages de fusée existants, trop peu puissants et d'un diamètre trop faible, n'était pas satisfaisante. Fin 1959, un comité de la NASA travaille sur l'architecture des futurs lanceurs de la NASA. Son animateur, [[Abe Silverstein]], responsable du [[Glenn Research Center|centre de recherche Lewis]] et partisan de la propulsion par des moteurs utilisant le couple hydrogène/oxygène en cours d'expérimentation sur la fusée [[Atlas (fusée)|Atlas]]-[[Centaur (fusée)|Centaur]], réussit à convaincre un von Braun réticent d'en doter les étages supérieurs de la fusée Saturn. Le comité identifie dans son rapport final six configurations de lanceur de puissance croissante (codés A1 à C3) permettant de répondre aux objectifs de la NASA tout en procédant à une mise au point progressive du modèle le plus puissant. Le centre Marshall étudie en parallèle à l'époque un lanceur hors normes capable d'envoyer une mission vers la Lune : cette fusée baptisée Nova, est dotée d'un premier étage fournissant {{unité|5300|tonnes}} de poussée et est capable de lancer {{unité|81.6|tonnes}} sur une trajectoire interplanétaire<ref name="chapter 2"/>.

 

 

Lorsque le président Kennedy accède au pouvoir au début de 1961, les configurations du lanceur Saturn sont toujours en cours de discussion, reflétant l'incertitude sur les missions futures du lanceur. Toutefois, dès juillet 1960, Rocketdyne, sélectionné par la NASA, avait démarré les études sur le moteur [[J-2 (moteur-fusée)|J-2]] consommant hydrogène et oxygène et d'une poussée de {{unité|89|tonnes}} retenu pour propulser les étages supérieurs. Le même motoriste travaillait depuis 1956, initialement à la demande de l'Armée de l'air, sur l'énorme moteur [[F-1 (moteur-fusée)|F-1]] ({{unité|677|tonnes}} de poussée) retenu pour le premier étage. Fin 1961, la configuration du lanceur lourd (C-5 futurs {{nobr|Saturn V}}) est figée : le premier étage est propulsé par cinq F-1, le deuxième étage par cinq J-2 et le troisième par un J-2. L'énorme lanceur peut placer jusque {{unité|140|tonnes}} en orbite basse et envoyer {{unité|41|tonnes}} vers la Lune. Deux modèles moins puissants doivent être utilisés durant la première phase du projet :