Капсула «Джемини», рассчитанная на двух астронавтов и несущая дополнительное оборудование, была слишком тяжелой для вывода на орбиту с помощью носителя «Атлас», который использовался по проекту «Меркурий». Для проекта «Джемини» НАСА выбрало пилотируемую версию второй МКБР военно-воздушных сил, мощный «Титан-2», Одна из четырех стартовых площадок «Титана» на мысе Кеннеди была модифицирована для полетов «Джемини». «Титан-2» использовал самовоспламеняющееся топливо, составленное из столь химически активных веществ, что они бурно воспламенялись при малейшем соприкосновении друг с другом, не требуя источника зажигания. Другим важным компонентом проекта «Джемини» было использование ракеты «Атлас» для вывода на орбиту второй ступени «Аджена» в качестве цели для экспериментов по сближению и стыковке. Эта грандиозная программа вскоре столкнулась с трудностями и задержками, требуя больше времени и усилий, чем планировало НАСА. Но проблемы «Джемини» этим не закончились, «Титан-2» имел недостаток: он испытывал продольные колебания, носящие название «эффект Пого». Вдобавок к этому топливные элементы «Джемини» протекали и нуждались в реконструкции и усовершенствовании. Стоимость проекта возрастала, он развивался со многими проволочками, в итоге исходная сумма утроилась и превысила 1 млрд долларов.
Первый беспилотный запуск «Титана-2» по программе «Джемини» состоялся не по графику, а с задержкой на 11 месяцев — в апреле 1964 года. Однако во время этого пробного полета «Джемини-1» успешно совершил 64 витка. Этот и второй непилотируемый тестовый полет подтвердили готовность «Титана-2» так же, как и узла сопряжения между носителем и капсулой, к запуску астронавтов. В марте 1965 года «Джемини-3» выполнил первый пилотируемый полет. Управляемый Гасом Гриссомом и Джоном Янгом, «Джемини-3», прозванный «Молли Браун», выполнил 3 витка в течение пятичасового полета. С помощью системы управления орбитой и маневрирования корабля «Джемини» (реактивной системы, состоящей из 16 маленьких двигателей) астронавты могли изменять траекторию своего орбитального полета, то есть осваивать основную потенциальную возможность для будущих космических стыковок.
В июне в ходе полета «Джемини-4» был достигнут ряд важных вех. Космический корабль находился на орбите четыре дня, что намного больше, чем при полетах «Меркуриев», и соответствует времени, необходимому для полета к Луне. Однако главным достижением этой миссии была 20-минутная космическая прогулка Эдда Уайта, первого американского астронавта, работавшего за бортом. Уайт был одним из девяти новичков, набранных НАСА в сентябре 1962 года в дополнение к отряду американских астронавтов, которые работали по программе «Меркурий» с 1959 года. Уайт родился в 1930 году в Сан Антонио, летал в Германии на истребителях военно-воздушных сил и позднее служил как летчик-испытатель.
Со своим коллегой по «Джемини-4» Джеймсом МакДивиттом Уайт начал приключение в космосе с необходимого сброса давления в кабине корабля. Затем, когда космический аппарат летел над Индийским океаном, была открыта крышка люка. Вначале Уайт встретил некоторые затруднения при открывании люка, но это быстро прошло. Далее он передвигался весьма осторожно, используя свой «самодельный пистолет», двухцилиндровую установку для маневрирования в космосе, действующую на сжатом воздухе, чтобы протолкнуть себя в пустоту космоса. Он приободрился, когда оказался в океане космоса, страхуемый лишь фалом. В то время когда он маневрировал и глядел с орбиты на потрясающие перспективы Земли, он летел вниз головой со скоростью 28 000 км/ч. Уайт поделился своим волнением: «Это величайшее ощущение; это что-то потрясающее… Сейчас я стою на голове, смотрю прямо вниз, и похоже, мы приближаемся к побережью Калифорнии… И отсутствует какая-либо связанная с этим дезориентация». Во время этой прогулки Уайт экспериментировал со своим оригинальным портативным пистолетом, чтобы перемещаться на расстояние около 4,5 м и двигаться над капсулой, открывая при этом для себя, что он улетел дальше, чем планировалось. Затем он скорректировал свое положение напротив капсулы посредством нескольких коротких выстрелов и доложил в Центр управления полетом, что пистолет действует хорошо. С помощью пистолета он совершил несколько дополнительных поворотов тела, а затем баллон, заправленный сжатым воздухом, опустел. Космическая прогулка была короткой, волнующей и выполненной без каких-либо неприятностей. Когда подошло время для неизбежного возвращения в капсулу, вынужденный это сделать Уайт сказал МакДивитту: «Это самый грустный момент в моей жизни».