07. studenog 1961. NASA je obznanila nakanu da proširi postojeći svemirski program misijama u kojima će – za razliku od dotadašnjeg Mercuryja – učestvovati dvojica astronauta. Službeni naziv novog projekta bio je Gemini (lat. blizanci), što simbolizira dvojicu astronauta u kapsuli.

Cilj ove bespilotne misije bila je provjera čvrstine nove letjelice i rakete-nosača i njihove otpornosti na napore prilikom lansiranja. Također, ovo je bila prva provjera sustava za praćenje letjelice u orbiti i komunikacije s njom. U tu je svrhu izgrađena posebna letjelica, bez sustava za održavanje života i drugih instrumenata prijeko potrebnih za preživljavanje astronauta.

Ovom se bespilotnom misijom prvenstveno željelo testirati toplinski štit letjelice Gemini. Zbog sezone uragana, raketa-nosač Titan II morala je biti rastavljena i otpremljena u sklonište zbog dva uragana tijekom kolovoza i rujna 1964., što je znatno otežalo rad na ovoj misiji i dovelo je do stalnih odgađanja početka misije.

Nakon dvije bespilotne misije programa Gemini (Gemini 1 i Gemini 2), na red su došle i misije sa posadom. Zapovjednik misije bio je Gus Grissom, veteran iz programa Mercury. Oko njega se digla prilična prašina, jer je njegova kapsula Mercury 4 – Liberty Bell 7 prilikom slijetanja potonula u ocean. Međutim, NASA je odbacila sve optužbe da se radi o pilotovoj grešci i Grissomu dala zapovjedništvo nad misijom Gemini 3, prvoj američkoj misiji u kojoj su sudjelovala dva astronauta.

Za ovu je misiju planiran let u formaciji Geminija IV i drugog stupnja rakete-nosača, Titana II. Prvi mačići u vodu se bacaju: astronauti, zbog manjka iskustva u formacijskom letu u svemiru, nikako nisu mogli doći u povoljan položaj kako bi pratili raketu, te su napokon odustali kad su potrošili gotovo polovicu zaliha goriva.

Misija Gemini V udvostručila je vrijeme boravka u svemiru sa četiri na osam dana (što je vrijeme potrebno za put do Mjeseca), zahvaljujući unaprijeđenom sustavu gorivih ćelija, koje su proizvodile dovoljno energije i za ovako produžene misije. Te su gorive ćelije postale ključne u misijama kasnijeg programa Apollo. Glavni zadatak misije bio je susret u svemiru sa sondom koja bi bila ispuštena iz Geminija V.

Zadatak ove misije bio je susret i spajanje u svemiru sa svemirskom platformom Agena. No, misija je odgođena nakon neuspjela lansiranja platforme. NASA se tada odlučila za susret u orbiti dvije Gemini letjelice, Geminija VI-A (originalna misija preimenovana je tako što je dodano prvo slovo abecede) i Geminija VII. Lansiranje je zakazano 12. prosinca 1965., osam dana nakon lansiranja Geminija VII.

Nakon što je misija Gemini VI odgođena zbog neuspjela lansiranja svemirske platforme Agena, odlučeno je prvo lansirati Gemini VII, a zatim i Gemini VI, koji bi se potom sastali u orbiti i manevrirali zajedno. Pripreme koje su prethodile lansiranju Geminija VII bile su više nego opsežne, jer ovo je trebala biti prva svemirska misija koja će u svemiru provesti puna dva tjedna.

Primarni cilj ove misije bilo je spajanje u svemiru Geminija VIII i ranije lansirane svemirske platforme Agena, te produžena svemirska šetnja u odnosu na onu iz misije Gemini IV, kad je astronaut White proveo 20 minuta u EVA-i. Od EVA-e se naknadno odustalo zbog problema koji su se pojavili tijekom misije. Agena je lansirana u stabilnu orbitu na visini od 298 km. Nakon što je i Gemini VIII došao u orbitu, bile su potrebne sitne korekcije putanje kako bi došli u povoljan položaj za pristajanje na platformu, što su izveli bez ikakvih problema.

Posadu koja je trebala poletjeti u ovoj misiji činili su Eliott See i Charles Bassett, no obojica su poginula u avionskoj nesreći u veljači 1966. Stoga su Stafford i Cernan promaknuti iz pričuvne u prvu posadu letjelice, a njihova zamjenska posada postali su Lovell i Aldrin, planirani kao pričuvna posada misije Gemini XI. Ovo je za Aldrina značilo da će u svemir ići u misiji Gemini XI, a ne u Gemini XIV, kasnije otkazanoj. Samim time Aldrin je postao ozbiljan kandidat za nadolazeće Apollo misije, što je kulminiralo misijom Apollo 11, kad je Aldrin postao drugi čovjek koji je hodao Mjesecom.

Kako se približavalo vrijeme realizacije projekta Apollo, NASA je užurbano privodila kraju Gemini, pokušavajući u preostalim misijama obaviti što je više moguće testova opreme i ljudstva za buduće letove na Mjesec. Misijom Gemini XI planirana su višestruka spajanja u orbiti sa platformom Agena, zajednički manevri ove dvije letjelice dok su povezane kablom, položiti kasnije Agenu u stabilnu orbitu, te izvesti dvije EVA-e i sletjeti potpuno automatizirano uz pomoć računala, bez ljudske intervencije.

Iako je ovo bila posljednja misija unutar programa Gemini, jedan od glavnih ciljeva još nije bio ostvaren: niti jedna do tada izvedena svemirska šetnja nije pokazala da astronaut može učinkovito i bez poteškoća raditi izvan letjelice. Stoga su se prije ove misije poduzele korjenite promjene u pripremi astronauta: dodani su novi, poboljšani držači na oplati letjelice, a cjelokupna izobrazba astronauta za rad u bestežinskom stanju doslovno je bačena u vodu.

Svemirska platforma Agena (ATV – Agena Target Vehicle), jest modul s kojim su se astronauti programa Gemini spajali i manevrirali u svemiru, što je bila uvertira sličnim manevrima koje će posade Apolla raditi u orbiti Mjeseca nekoliko godina kasnije.