“双子座”计划于1963年至1966年间实施，是登月竞赛中的又一里程碑。
该项目最初计划命名为“水星二号”（Mercury Mark II），这一名称既呼应了早先的“水星”计划，又通过罗马数字“II”来体现新的双人飞行任务。
最终，受双子座的启发，选定了“Gemini”这个名字。
该计划的主要目标是演练成功执行月球任务所必需的各项任务：轨道对接、在舱内经历约两周的失重状态，以及在仍有时间进行修复时发现潜在问题。 主要成就包括成功完成轨道会合、美国航天史上首次太空行走，以及轨道机动精度的显著提升。
“双子座”计划招募了9名新宇航员，随后又招募了14名，当时已经着眼于未来的“阿波罗”计划。
与“水星七人组”一样，“新九人组”在选拔期间也必须接受一系列严格的心理和体能测试。他们同样吸引了媒体的关注，尽管程度略逊于前辈们，而且——就像前辈们一样——与《生活》杂志签署了独家合同。 这份合同每年价值50万美元，由小组成员平均分配；鉴于此前同样的金额仅由七名水星计划宇航员平分，这些新成员接受采访的积极性便有所降低。
“最初的十四人”——其中包括柯林斯和奥尔德林等人——虽然比早期的团队拥有更扎实的技术和科学背景，但在飞行方面的经验却相对较少。此外，他们也比前辈们年轻一些。
“适合飞行员”的太空舱
“双子座”号飞船很快获得了“格斯号”这个绰号，因为第二位进入太空的美国人维吉尔·伊万·“格斯”·格里索姆深度参与了该飞船的设计和建造。作为一名飞行员，他希望拥有一艘 真实 飞行员的飞船。虽然“水星”号飞船有时会遭到航天计划以外的飞行员的嘲笑，但“双子座”号却受到了更为严肃的对待。最重要的是，飞行员可以对飞船的所有轴向进行完全控制；地面任务控制中心的作用主要仅限于更新机载计算机数据。
尽管“双子座”号进行了改进，但内部空间依然狭小——每位宇航员仅拥有约1立方米的活动空间。该飞船保留了前代飞船的锥形流线型外观，长约5.6米，最大直径为3米。它由两个主要部分组成：乘员舱和推进舱。
乘员舱的鼻锥部装有降落伞和雷达。鼻锥部与乘员舱之间设有推进剂和氧化剂储罐，以及八台用于在再入大气层期间控制飞船姿态的推进器。乘员舱内则装有座椅、一台简易的机载计算机以及驾驶飞船所需的其他仪器。 推进舱内除其他设备外，还装有四台固体燃料火箭和生命保障系统。
1961年，格伦·L·马丁公司提议美国宇航局（NASA）将其“泰坦II”弹道导弹用作新太空计划的运载火箭。
工程师们对此表示赞同，因为“泰坦II”号的推力比当时美国宇航局（NASA）可用的其他火箭都要大。
到1963年5月，“泰坦II”号面临一个严重问题：发动机燃烧不稳定导致推力波动，从而使整个飞行器发生振荡。
对于无人飞行而言，这些振动本不会构成重大问题，但对于机组人员来说，这些振动却会对他们的健康造成危害。
美国空军开始着手进行必要的改装工作，但进展速度未能令美国宇航局满意——该机构正争分夺秒地努力实现肯尼迪提出的“在本十年结束前将人类送上月球”的目标。
有段时间，美国宇航局甚至考虑过放弃“泰坦二号”，转而采用韦尔纳·冯·布劳恩设计的“土星一号”火箭。不过，空军很快实施了必要的改进措施——包括在氧化剂管路中增设泄压管道——最终“泰坦二号”获得了飞行许可。
1965年3月23日，“泰坦II”号火箭发射。
这款新型两级运载火箭高近33米，直径3米。第一级由两台发动机提供动力，总推力为195吨；第二级则由一台推力为45吨的发动机提供动力。 凭借这些参数，该火箭最多可将3,600千克的有效载荷送入近地轨道。在服役期间，该火箭共执行了12次飞行任务，且每次飞行均取得成功。
在宇航员能够执行载人飞行任务之前，必须先进行两次测试任务——“双子座1号”和“双子座2号”。其中首次任务“双子座1号”是一次轨道飞行任务，旨在测试火箭的性能及其与载人舱的结构集成情况。 其他目标还包括测量运载火箭的性能、确定入轨精度以及测试故障检测系统。跟踪和测量工作按计划持续了4小时50分钟。此后，飞船继续绕地球飞行了三天多，随后也如计划般在大气层中烧毁。
相比之下，“双子座2号”是一次亚轨道飞行任务，旨在验证“双子座”飞船的防热盾及其各系统的耐久性。此次飞行持续了18分钟多一点，而且这次飞船返回舱被成功回收；如今，它陈列在卡纳维拉尔角的一家博物馆中供人参观。
1964年初，“双子座3号”任务的主乘组和备用乘组名单公布。当主乘组成员、首位进入太空的美国人艾伦·谢泼德被诊断出患有梅尼埃病后，执行此次任务的重任便落在了备用乘组——沃尔特·施艾拉和约翰·杨——身上。 这是美国首次进行多人太空飞行，但并非世界首次；苏联再次走在前列，早在几个月前就已将三名宇航员送入太空。
有趣的是，“双子座3号”是该计划中唯一一艘拥有专属名称的飞船。加斯·格里索姆受音乐剧的启发 《不可沉没的莫莉·布朗》，建议将该航天器命名为 《莫莉·布朗》. 这是指他的首次任务，当时他的太空舱沉没了。起初，美国宇航局认为这个名字会让该机构难堪，但在听了他提出的替代方案后—— 泰坦尼克号 – 它同意了原名。
接下来的“双子座4号”任务比之前的任务时间更长，持续了四天。这一任务时长使得研究人员能够测试人体在较长时间内如何适应太空环境。该任务最重要的里程碑是美国历史上首次太空行走。 在舱外活动期间，载有埃德·怀特和詹姆斯·麦克迪维特的飞船本应与“泰坦二号”第二级保持六米的恒定距离，以便怀特能使用手持式推进枪抵达那里。尽管这一最终目标未能实现，但舱外活动的其余部分仍被视为成功。 怀特的太空行走持续了20分钟；当他在浩瀚的太空中漂浮时，他沉醉于地球的美景之中，甚至难以被说服返回飞船。尽管美国宇航局（NASA）曾禁止为任务起昵称，但机组人员仍非正式地将此次飞行命名为“美国鹰号”，以此纪念这一历史性时刻。
得益于采用燃料电池为航天器提供动力的创新技术，从“双子座5号”开始的任务持续时间得以延长——最长可达两周。“双子座7号”完成了首次为期十四天的飞行任务，弗兰克·博尔曼和詹姆斯·洛弗尔担任此次任务的宇航员。
在“双子座7号”任务期间，宇航员们共进行了多达20项科学实验，数量超过了任何其他任务。 然而，该任务最重要的成就在于与由沃尔特·施拉和托马斯·斯塔福德驾驶的“双子座6A号”飞船在轨道上成功会合；在最近距离时，两艘飞船之间的距离仅约30厘米，这一壮举需要极高的精准度。
卫生是另一个主要问题；在狭小、没有窗户的“铁罐”里待上两周，很容易让人忽视这一点。 为了减少舱内皮屑的堆积，宇航员们在发射前两周每天都用去屑洗发水洗头；进入轨道后，他们脱下压力服，以便皮肤更容易保持水分。
尽管做出了这些努力，但这些措施并未解决太空中的卫生问题。着水后，负责固定返回舱的三名潜水员中有两名一打开舱门就呕吐了。
“阿格纳”（Agena）是一艘用于“双子座”计划对接演练的无人航天器，从“双子座8号”任务开始投入使用。它通常在载人任务发射前几小时升空，以便进入目标轨道并在那里等待宇航员。
在“双子座8号”任务期间，首次与“阿杰纳”号进行了对接。 在锁定目标并接近至46米距离后，宇航员们花了一半小时进行目视检查，以确保该目标在发射过程中未受损。获得继续操作的许可后，尼尔·阿姆斯特朗开始以每秒8厘米的相对速度继续接近，最终成功完成了对接。
对接后，突然出现了一个严重问题。就在宇航员与任务控制中心失去联系之际，“双子座8号”与“阿杰纳”号组合体开始翻滚。 由于不知原因，飞行员们决定作为预防措施进行脱离对接，但这反而使飞船旋转得更快；旋转速度达到每秒约一圈，就在乘员们即将昏厥之际，阿姆斯特朗冷静地查明了故障原因。 结果发现，负责俯仰控制的第8号推进器卡在了“开启”位置。
停止翻滚大约花了30分钟，消耗了75%的机动燃料，因此为了保障机组人员的安全，任务控制中心下令进行紧急水上着陆。阿姆斯特朗向来习惯淡化问题，事后他简短地总结了这次飞行：“那是个非同小可的局面。”
此后，飞行任务定期进行，大约每两个月一次。在此期间，媒体对太空飞行的关注度逐渐减弱，在公众眼中，太空似乎不再像“水星计划”时期那样充满未知与危险。
最后四次“双子座”任务的重点是完善轨道会合与对接技术以及太空行走。 虽然交会对接过程基本按部就班，但除奥尔德林之外的所有出舱宇航员都遭遇了诸多困难，其中大部分困难源于牛顿第三定律——作用与反作用——这使得在失重状态下移动和推离物体变得出乎意料地困难。 此外，穿着21层厚的航天服工作也是一大挑战；“双子座9号”的尤金·塞尔南将其僵硬感比作一套生锈的盔甲，他在舱外活动期间心率攀升至每分钟195次，并在为期四天的任务中体重减轻了六公斤。
“双子座10号”的舱外活动也出了问题。 迈克尔·柯林斯在仅完成几项指定任务后，就被卡在了“双子座”飞船与“阿杰纳”号之间；等他挣脱出来后，又被连接他与飞船的15米长的脐带缆缠住，因此他的舱外活动在仅进行39分钟后便被迫提前结束。 “双子座11号”在舱外活动技术方面也进展甚微：尽管做了周密的准备，但迪克·戈登原计划进行两小时的舱外活动，却因体力不支且头盔内汗水影响视线，仅44分钟便被迫终止。 不过，在某一方面，“双子座11号”确实领先于时代——得益于早期通信卫星“泰勒斯塔1号”，18个国家的观众得以现场观看“泰坦II”火箭的发射。
“双子座12号”太空行走的准备工作——以及太空行走本身——都处理得更加专业。 从以往的舱外活动经验中汲取的教训促使训练水平得到提升，最显著的改进是引入了水下模拟训练，因为在水中移动与在失重状态下工作最为接近。在此次任务期间，奥尔德林进行了三次舱外活动，总计五小时半，远远超过了此前太空行走者的纪录。 他在飞船侧面安装了一台相机，进行了一项微陨石实验，拍摄了一系列照片，并完成了一系列相对简单的手动任务。“双子座12号”的主要目标得以实现：它证明了在微重力环境下进行高效、安全的工作是可行的。
大部分计划中的次要目标，包括科学实验，也都完成了。除其他任务外，宇航员们研究了蝌蚪在失重环境下的发育情况，并拍摄了大量天空照片，不过由于推进系统出现故障，他们未能将飞船送入更高的轨道。
“双子座”计划是美国宇航局（NASA）的一项重大成功：每次任务都实现了其主要目标，并完成了大部分次要目标。总体而言，这些飞行任务基本按计划进行，仅有少数例外。这些任务共同为“阿波罗”计划的成功奠定了基础。
