Вторая пилотируемая программа NASA была реализована за два года – 1965-1966, за этой время было проведено десять полетов. Это была переходная программа. Ее задачей была отработка технологий, необходимых для программы Аполлон – полета человека на Луну. На помним, что программа Аполлон была начата в 1961 году. Сразу стало понятно, что полет на Луну сразу после завершения программы Меркурий невозможен. Поэтому новая программа, поначалу названая Меркурий 2, был объявлена 7 декабря 1961 года. 7 января следующего года она была переименована в Джемини, означающего близнецов на латыни, так как в корабле должны были летать два астронавта. Для этого при реализации Джемини был проведен долгий полет, аналогичный перелету на Луну (начальная установка – полеты длительностью не менее 8 дней, а лучше 14, для проверки и людей, и оборудования), отработаны выходы в открытый космос (надо было убедиться, что астронавты справятся с работой вне защиты аппарата) и маневры, необходимые для стыковки. Технологии спуска и посадки также было желательно улучшить. Все запуски программы производились с мыса Канаверал ракетой-носителем Титан-2.

Контракт на создание космического корабля получила авиационная компания МакДоннел, которая строила аппараты программы Меркурий. В 1963 году первый космический корабль уже был готов. Важнейшим отличием аппарата Джемини было наличие системы управления орбитальным движением, тогда как аппараты Меркурий могли лишь управлять ориентацией, а их возможности коррекции орбиты ограничивались системой спуска в атмосфере. Система маневровых двигателей должна была обеспечить импульс в любом направлении. Планы по орбитальному маневрированию и стыковке привели к дополнительным тренировкам для астронавтов. Для них был построен стенд, на котором они могли бы отрабатывать ручную стыковку и маневры. Это необходимо в силу особенностей небесной механики – движущееся по орбите с огромной скоростью тело может казаться медленно движущимся для астронавтов, также движущихся в своем корабле. Импульс в сторону корабля, который они хотят догнать, на самом деле приведет не к движению к нему, а к подъему орбиты, из-за чего скорость движения корабля замедлилась бы. Вместе этого астронавту нужно дать тормозной импульс, перейдя на низкую орбиту, догнать за счет этого другой корабль, и заранее поднять орбиту, чтобы оказаться с ним практически в одной точке. Такие манипуляции, хотя и простые при расчетах, требовали тренировок для исполнения в полете.

Была принципиально изменена система отмены запуска. Носители программы Меркурий в случае нештатной ситуации могли очень быстро взорваться, поэтому корабли были оборудованы системой с собственными ракетными двигателями, которые должны были увести корабль очень быстро и очень далеко от ракеты. Титан 2 имел другое топливо, и при нештатной ситуации было достаточно катапультируемых сидений астронавтов. Если же проблемы возникли на большой высоте, когда нельзя катапультироваться, для быстрого отделения от ракеты могли использоваться тормозные двигатели. Далее, все системы, кроме двигателей спуска, у Меркурия были расположены внутри капсулы.

Корабли Джемини были уже ближе к Аполлонам. Системы жизнеобеспечения, электропитания и баки двигательных установок были расположены в служебном модуле, находящемся между жилым отсеком и системой спуска. В корабле Меркурий все системы можно было обслуживать с помощью одного люка в корабле, у Джемини их было несколько, отдельные для разных систем. Модульная структура сильно упрощала ремонт корабля. Джемини стал первым аппаратом, оснащенным бортовым компьютером (массой более 26 килограмм), в чем американцам удалось сильно опередить Советский Союз. Поначалу планировалось в кораблях Джемини перейти к посадке на твердую поверхность с помощью крыльев, но в конце концов была выбрана отработанная схема посадки на воду с помощью парашюта. Первые миссии с небольшой продолжительностью использовали батареи в качестве источников питания, при продолжительных полетах впервые были применены топливные батареи. Отдельно разрабатывался автоматический аппарат, на котором должна была отрабатываться стыковка.

Ракета-носитель программы Титан 2 была разработана к 1962 году и представляла собой межконтинентальную баллистическую ракету второго поколения, заменившую Атлас. Ракета имела упрощенную структуру и топливо, которое могло долго храниться в баках. Ракета могла быть быстро подготовлена к запуску, но из-за высокой токсичности топлива модификация для полетов человека составила проблему. Носитель имел собственный бортовой компьютер.

В 1964 и 1965 годах были проведены два автоматических полета, за которыми последовали десять удачных запусков (хотя двое астронавтов погибли при подготовке проекта). 3 июня 1965 года Эдвард Уайт провел первый американский выход в открытый космос при полете корабля Джемини-4. Следующий полет показал возможность 8-дневного космического путешествия, минимально необходимого для перелета к Луне. Шестой полет включал первую встречу с другим космическим аппаратом, а седьмой продолжался уже две недели. Стыковка была реализована в восьмом полете. Одиннадцатый полет поставил рекорд по высоте орбитального пилотируемого полета – 1369 километров. При этом использовались двигатели модуля, к которому стыковались Джемини, и этот рекорд до сих пор не побит. В двенадцатом полете Эдвин Олдрин впервые провел полезные работы в открытом космосе.