Der Start der Mission erfolgte von Cape Canaveral. Gemini 5 wasserte 620 km südwestlich der Bermuda-Inseln im Atlantik.

Das Gemini-Raumschiff war konzipiert, um wesentliche Prozeduren für die Mondlandung mit dem nachfolgenden Raumschiff Apollo zu testen. Die konisch geformte Kapsel bestand aus zwei Hauptkomponenten, nämlich der Rückkehrkapsel (Reentry Module) und der Adapter-Sektion. Das Reentry Module wiederum gliederte sich in drei Hauptsektionen. Dies waren die Rendezvous & Recovery Section (R&R), die Reentry Control Section (RCS) und die eigentliche Mannschaftskabine (Cabine Section).
Bei den Rendezvous-Missionen enthielt das R&R das Rendezvous- und Annäherungsradar sowie die drei Halteklammern des Kopplungssystems, die in den Agena-Zielsatelliten einrasteten. Außerdem war in dieser Spitze der Gemini der Behälter für den Pilot- und Hauptfallschirm untergebracht. Zwischen R&R und der Mannschaftskabine befand sich die RCS. Darin waren Treibstoff- und Sauerstofftanks sowie die die notwendigen Ventile, Brennkammern und Triebwerksdüsen des vorderen Steuerungssystems untergebracht. Die RCS-Triebwerke wurden für Flugmanöver im Orbit und für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verwendet.
Die Mannschaftskabine verfügte über zwei unabhängige Einstiegsluken. Für jeden Astronauten war ein Schleudersitz für den Notfall vorhanden. Die Luke des Co-Piloten diente zugleich dem Ausstieg bei Außenbordmanövern. Insgesamt standen den beiden Astronauten etwa 1,6 Kubikmeter Raum zur Verfügung. Die Kabine stand unter Luftdruck und war aus Titanblech und einer äußeren Hülle aus hitzebeständigem "René41"- Metallplatten gefertigt. Am stumpfen Ende des Raumschiffs befand sich ein ablatives (abschmelzbares) Hitzeschild aus Beryllium-Material. Im Innern der Kapsel waren die Lebenserhaltungssysteme, die Kommunikationsanlage, eine autonome Energieversorgung, Anzeige- und Steuergeräte und bei den späteren Missionen ein Flugführungs-Computer untergebracht. Letztlich wurden dort auch die wissenschaftlichen Experimente gelagert. Die Landung einer Gemini-Kapsel vollzog sich so, dass in 15 km die Auswurfvorrichtung der Fallschirme gelegt wurde und anschließend der Pilotfallschirm ausgestoßen wurde. Bei einer Höhe von 6.400 m erfolgte die Öffnung der Luftventile, um einen Druckausgleich zu erreichen. Bei etwa 2.900 m wurde der Pilotfallschirm zusammen mit der R&R-Sektion abgetrennt und der Hauptfallschirm ausgestoßen.
Die Adapter-Sektion war aufgegliedert in die Retrogradesection und die Equipment Section, also den Geräteteil. In der Retrogradesection waren an einer Kreuzstruktur vier kugelförmige Feststofftriebwerke untergebracht. Sie lieferten jeweils einen Schub von 11,35 hN und dienten als Bremstriebwerke. Ebenso befanden sich dort vier Lagekontrolltriebwerke. Nach dem Abtrennen der Equipment Section und der Zündung der Bremstriebwerke wurde auch dieser Teil abgesprengt. Erst dadurch wurde der Hitzeschild freigelegt.
Die Equipment Section enthielt Treibstoff-, Sauerstoff- und Heliumhochdruckbehälter, mit denen das Lagekontroll- und Manövriertriebwerkssystem (OAMS) versorgt wurde. Zu diesem System gehörten auch sechs Triebwerke mit einem Schub von jeweils 450 N. Außerdem waren in dieser offenen Ringstruktur Batterien bzw. Brennstoffzellen, der Sauerstoffvorrat und Wasserreserven für das Kühlsystem untergebracht.
Die gesamte Adapter-Sektion war aus einer Magnesiumlegierung gefertigt und war zugleich Verbindungsteil zur Titan-Trägerrakete.
Das gesamte Gemini-Raumschiff wies eine Länge von 5,791 m auf und hatte einen maximalen Durchmesser von 3,048 m. Je nach Ausrüstung einer Mission lag die Gesamtmasse bei 3.130 bis 3.810 kg. Die Mannschaftskabine mit dem RCS und dem R&R hatte eine Länge von 4,45 m. Am stumpfen Ende hatte die Kapsel 2,30 m Durchmesser bei einer Masse von 2.030 kg). Die Adapter-Sektion hatte eine Bauhöhe von 1,34 m und eine Masse von mindestens 1.100 kg. Ihr Durchmesser betrug am oberen Ende 2,30 m und am unteren Ende 3,05 m.

Zum ursprünglich vorgesehenen Starttermin (19. August 1965) musste der Countdown zunächst wegen eines Computerproblems unterbrochen werden und der Start wurde dann wegen schlechten Wetters um 2 Tage verschoben.

Im Gegensatz zu den Mercury- und Apollo-Flügen, gab es bei Gemini keine Rettungsrakete, die beim Versagen der Titan-Rakete die Raumkapsel von der Startrakete weggerissen hätte. Die Titan-II-Rakete flog mit sogenannten hypergolen Treibstoffen, die im Falle des Versagens der Startrakete zwar zum Abbrennen, aber nicht zur Explosion neigen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis wurden stattdessen in die Gemini-Raumschiffe Schleudersitze eingebaut. Das Verfahren wurde als "Ballute" bezeichnet. Bei einem erforderlich werdenden Ausstieg während der Startphase sollte sich das ballonähnliche Gebilde als erstes entfalten und den Flug des Astronauten stabilisieren, ehe der Fallschirm geöffnet wurde.

Der Flug von Gemini 5 war auf acht Tage ausgelegt, doppelt so lang wie der vorgehende Flug von Gemini 4. Das Ziel von Gemini 5 war, die Zuverlässigkeit aller Systeme bei solch einer Dauer zu demonstrieren und den Einfluss der Schwerelosigkeit auf die Astronauten zu untersuchen. Erstmals sollte die Energieversorgung nicht nur durch Batterien, sondern auch durch Brennstoffzellen erfolgen, außerdem war geplant, Rendezvous-Manöver mit einem Zielsatelliten durchzuführen, den Gemini 5 selbst aussetzen sollte. Der Zielsatellit REP (Rendezvous Evaluation Pod) war 33 kg schwer und hatte Ausmaße von 33 x 48 x 79 cm. REP verfügte über insgesamt drei Antennen. Das Gegenstück zu dem Zielsatelliten - die Gemini-Rendezvousanlage - war in der Raumschiffnase befestigt. Das Gerät war 23 x 25 x 48 cm groß und besaß eine Masse von 14,2 kg. Fünf Antennen sollten ein brauchbares Radarsignal gewährleisten, das bis zu einer Entfernung von gut 400 km empfangbar sein sollte.
Gemini 5 war der erste NASA-Flug, für den ein offizielles eigenes Missionspatch verwendet wurde. Gordon Cooper brachte hierzu einen Vorschlag mit einem Planwagen ein. Der Vorschlag wurde akzeptiert, doch das Motto "Eight days or bust" (etwa: Acht Tage oder Pleite) wurde abgelehnt.

Bereits nach 2 Stunden Flugzeit wurde der mitgeführte Zielsatellit REP ausgestoßen, um mit diesem Rendezvous-Manöver üben zu können. Doch kurz nach Absetzen des Satelliten gab es einen unverhofften Druckabfall in den Brennstoffzellen des Gemini-Raumschiffs, was dazu führte, dass einige Systeme abgeschaltet werden mussten. Das Rendezvous-Manöver konnte somit nicht mehr in der geplanten Form durchgeführt werden. Sogar der Abbruch des Fluges wurde erwogen, jedoch stabilisierte sich dieser Druck wieder (wenn auch auf geringerem Niveau), aber damit konnte man arbeiten.

Am dritten Tag der Mission wurde stattdessen ein Rendezvous-Manöver mit einem fiktiven Satelliten geflogen. Dazu waren präzise Bahnänderungen nötig, die aber erfolgreich durchgeführt wurden. Dennoch endeten die technischen Schwierigkeiten nicht, so fielen nach einigen Tagen auch noch mehrere Steuerdüsen (für das Lageregulierungssystem) aus. Man verzichtete daher auf weitere Tests. Einige medizinische Tests (die gleichen, wie bei Gemini 4) wurden noch vorgenommen und verschiedene Fotoaufnahmen gemacht, aber alles in allem war es danach ein eher langweiliger Flug, mit dem Ziel, einen neuen Aufenthaltsrekord aufzustellen, was ja auch gelang. 17 Experimente waren ursprünglich geplant gewesen, eines davon wurde aber gestrichen. Charles Conrad beklagte sich später darüber, dass er kein Buch zum Lesen mitgenommen habe. Dazu kam, dass es während des antriebslosen Driftens mit der Kapsel, in dieser recht kühl wurde.

In der Nacht zum vierten Flugtag beklagten sich die beiden Astronauten über eine unangenehme Kälte im Raumschiff bzw. ihren Raumanzügen. Grund hierfür war offenbar ein neues Kühlsystem. Am 26. August 1965 stellten die Astronauten fest, dass zwei der sechszehn Triebwerke der Raumkapsel ausgefallen waren. Vermutlich waren sie eingefroren. Am folgenden Tag zeigten zwei weitere Triebwerke, die zur Lagesteuerung verwendet werden, Ausfallerscheinungen.

Da die Steuerdüsen nicht perfekt arbeiteten und sich ein Wirbelsturm dem vorgesehenen Landegebiet näherte, erhielt die Crew die Erlaubnis, eine Umlaufbahn weniger als vorgesehen zu fliegen. Durch fehlerhafte bzw. unvollständige Daten im Computer wurde der Landepunkt danach allerdings um 145 km verfehlt. Die Missionskontrolle hatte die Erddrehung mit genau 360 Grad pro Tag programmiert, während der exakte Wert bei 360,98 Grad liegt. Bei knapp acht Tagen in der Umlaufbahn ergab das einen Fehler von 7,9 Grad. Für eine Korrektur war aber nicht mehr genügend Treibstoff vorhanden. Ohne diese Fehlprogrammierung wäre Gemini 5 nur 4 bis 5 km vom geplanten Zielpunkt entfernt gelandet. Da aber mehrere Schiffe an der Bergung beteiligt waren, konnten Gordon Cooper und Charles Conrad von Tauchern der USS DuPont geborgen und im Helikopter zum Hauptschiff USS Lake Champlain gebracht werden.