Start von Cape Canaveral; Landung 850 km östlich von Florida im Atlantik.

Auch bei dieser Mission sollte wieder eine Kopplung mit einem Agena-Zielsatelliten stattfinden. Ebenso stand wieder eine EVA auf dem Programm. Das Missionspatch wurde von Barbara Young (der damaligen Ehefrau von John Young) entworfen.

Die Kopplung mit dem unbemannten Agena-Zielsatelliten GATV-10 gelang ohne Probleme, auch wenn dabei mehr Kraftstoff verbraucht wurde, als geplant. Das führte dazu, dass man auf weitere geplante An- und Abdockmanöver verzichtete. Mit Hilfe der Triebwerke der Agena gelang anschließend eine Bahnanhebung von 295 km auf 764 km, was einen neuen Höhenrekord darstellte.

Zwei EVAs durch Michael Collins wurden unternommen: Dabei diente die sogenannte Stand-Up-EVA am 19. Juli 1966 (0h 38m) lediglich dazu, die Erde und Sterne zu fotografieren.

Die zweite EVA am 20. Juli 1966 fand nach der Abkopplung des Agena Zielsatelliten und der Annährung bis auf 1 m an die Agena GATV-8 (0h 49m) statt. Zunächst barg er einen Mikrometeoriten-Detektor von der Gemini-Kapsel und verstaute diesen in der offenen Luke, allerdings schwebte er während der EVA irgendwann davon und war verloren. Als nächstes wechselte Michael Collins, verbunden mit dem Mutterschiff mittels einer "Schnur" zur Agena GATV-8. Auf dem Weg dorthin verlor er allerdings den Halt und konnte sich auch nirgends richtig festhalten. Erst unter Nutzung der Handpistole konnte er sich wieder dorthin bewegen, wo er hinwollte. Somit gelang es ihm dann auch den Mikrometeoritendetektor von der Agena zu bergen. Diesen Detektor verlor Michael Collins nicht. Allerdings verlor er während dieser EVA seine Kamera. Die Rückkehr in das Raumschiff war nicht ganz einfach, denn Michael Collins hatte sich in der Sicherheitsleine förmlich verheddert.

Im Übrigen wurden 14 verschiedene Experimente durchgeführt. Dazu gehörten auch ein Navigationsexperiment und verschiedene Experimente zur Messung der Strahlendosis.

Die Rückkehr zur Erde verlief dagegen vollkommen unproblematisch. Das Bergungsschiff war der Flugzeugträger USS Guadalcanal.