Корабль “Джемини-7” с астронавтами Фрэнком Борманом и Джеймсом Ловеллом на борту стартовал 4 декабря 1965 года. 15 декабря 1965 года “Джемини-6” с Уолтером Ширрой и Томасом Стаффордом тоже вышел на орбиту. Через шесть часов после старта два корабля сблизились до нескольких десятков метров, а потом до 25-30 сантиметров. 16 декабря 1965 года успешно вернулся на Землю “Джемини-6”, а 18 декабря 1965 года - “Джемини-7”, завершив рекордный 14-суточный полет, имитирующий по длительности экспедицию на Луну.
16 марта 1966 года на орбиту отправился корабль “Джемини-8” с астронавтами Нейлом Армстронгом и Дэвидом Скоттом. На четвертом витке Нейл Армстронг состыковал “Джемини-8” с ракетой-мишенью “Аджена”, запущенной в космос за полтора часа до старта “Джемини-8”. Это была первая в истории космонавтики стыковка двух космических аппаратов. Но через 30 минут после успешной стыковки связка “ракета-мишень” начала кувыркаться. Попытки взять ситуацию под контроль успехом не увенчались. Армстронг принял решение на расстыковку, и Скотт расстыковал аппараты. Но “Джемини-8” завертелся с бешеной скоростью. Армстронгу удалось стабилизировать корабль. “Джемини-8” совершил аварийную посадку в Тихом океане через 10 часов 41 минуту после старта с Земли.
В ходе полета космического корабля “Джемини-9”, в составе экипажа которого были Томас Стаффорд и Юджин Сернан, планировалось осуществить стыковку со спутником-мишенью ATDA. После выхода мишени на орбиту выяснилось, что головной обтекатель от нее не отделился, а лишь частично раскрылся. Стыковка стала невозможной. Тем не менее, “Джемини-9” стартовал на орбиту. 5 июня 1966 года состоялся выход в открытый космос Юджина Сернана. Для работы в открытом космосе впервые было испытано “летающее кресло” AMU. 6 июня корабль приводнился в Атлантическом океане.
Следующий корабль - “Джемини-10” - стартовал 18 июля 1966 года. На его борту находились Джон Янг и Майкл Коллинз Астронавты выполнили стыковку корабля со ступенью “Аджена-D” № 5005, запущенной незадолго до старта корабля. С помощью двигательной установки ракеты высота орбиты корабля была поднята до 766 километров в апогее. Это позволило выполнить сближение “Джемини-10” со ступенью “Аджена-D” № 5003, с которой в марте 1966 года уже стыковался “Джемини-8”. 19 июля Майкл Коллинз вышел в открытый космос, высунувшись из люка. Он выполнил фотографирование звездного неба. На следующий день “Джемини-10” расстыковался с “Адженой-D” № 5005 и сблизился с “Адженой-D” № 5003 до расстояния три метра. Коллинз снова вышел в открытый космос. Он снял ловушку для микрометеоритов с корабля “Джемини-10”, а потом перелетел на ступень “Аджена-D”, где уцепился за стыковочный конус. Коллинзу снял со ступени ловушку S-10. В ней находились образцы культур бактерий и вирусов, которые летали в космосе уже четыре месяца. На следующий день “Джемини-10” благополучно вернулся на Землю.
12 сентября 1966 года с мыса Канаверал стартовали сначала мишень “Аджена-D”, а потом корабль “Джемини-11” с астронавтами Чарльзом Конрадом и Ричардом Гордоном. Стыковка двух аппаратов состоялась через 94 минуты после старта. Гордон вышел в открытый космос и соединил корабль и мишень тросом длиной 30 метров. С помощью двигательной установки “Аджена-D” связка была поднята на высоту 1370 километров - это и поныне максимальная высота, которую достигали пилотируемые корабли, находясь на околоземной орбите. 15 сентября Конрад расстыковал космические аппараты и развел их на некоторое расстояние. А потом был проведен эксперимент “искусственная тяжесть”. Конрад ввел связку “ракета-мишень” во вращение и довел ее скорость до 55 оборотов в минуту, что позволило зафиксировать искусственную гравитацию величиной 0,00078 единицы. После трех часов совместного полета штырь с тросом был отделен. Корабль с астронавтами приводнился в Атлантическом океане.