Start von Cape Canaveral; Landung 620 km südwestlich der Bermuda-Inseln im Atlantik.

Der ursprüngliche vorgesehene Start (19. August 1965) musste zunächst wegen eines Computerproblems unterbrochen werden und wurde dann wegen schlechten Wetters um 2 Tage verschoben.

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, 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 antriebslosenlosen Driftens mit der Kapsel, in dieser recht kühl wurde.

Da die Steuerdüsen nicht perfekt arbeiteten, erhielt die Crew die Erlaubnis, eine Umlaufbahn weniger als vorgesehen zu fliegen. Durch fehlerhafte Daten im Computer wurde der Landepunkt danach allerdings um 145 km verfehlt. Da aber mehrere Schiffe an der Bergung beteiligt waren, konnten Gordon Cooper und Charles Conrad von Tauchern der USS DuPont geborgen und im Helicopter zum Hauptschiff USS Lake Champlain gebracht werden.