Der Start erfolgte von Cape Canaveral. Gemini 6A wasserte 1.010 km südwestlich der Bermuda-Inseln.

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.

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.

Das Gemini Agena Target Vehicle (GATV) war ein orbitaler Zielflugkörper, der von der NASA während des Gemini-Programmes zur Erprobung von Rendezvous-Manövern eingesetzt wurde. Das GATV bestand aus einer Agena-Oberstufe und einem Andockadapter. Die Agena-Oberstufe wurde mit einer Atlas-Rakete gestartet.

Der Start glückte erst im dritten Anlauf. Ursprünglich war geplant, dass sich Gemini 6 dem zuvor gestarteten Zielsatelliten GATV-6 näherte, nämlich einer Agena-Rakete. Am 25. Oktober 1965, 6 Minuten nach dem Start der Agena, explodierte jedoch die Rakete mit dem Zielsatelliten und die Astronauten, die schon fertig in ihrem Raumschiff lagen, mussten wieder aussteigen.

Kurzzeitig herrschte Frustration bei der NASA, doch dann entstand die kühne Idee, dass anstelle einer Agena ein Gemini-Raumschiff als Rendezvous-Ziel dienen sollte. Die Hauptschwierigkeit dabei war, dass innerhalb von zwei Wochen zwei Gemini-Starts erfolgen müssten. Das aber war kaum möglich, denn es stand nur eine Startrampe zur Verfügung, und die notwendigen Tests dauerten mehrere Wochen. In nur drei Tagen wurden alle technischen Probleme angesprochen und für lösbar erklärt. Eines der Probleme war, dass alle Bodenstationen, die die Bahnen der Gemini-Raumschiffe verfolgten, Verbindungen mit beiden Raumschiffen gleichzeitig halten können mussten, sei es für Sprache oder für Telemetriedaten.

Der zweite Versuch verlief noch dramatischer. Da nun aus dem geplanten Rendezvous-Manöver nichts mehr wurde, entschied man zunächst, die Flugplanung umzuändern. Nunmehr startete das Raumschiff Gemini 7 zuerst und die Mission Gemini 6 wurde mit der Zusatzbezeichnung "A" versehen, darauf hinweisend, dass die Mission nun ein anderes Ziel hatte. Gemini 6 sollte nämlich jetzt mit dem Raumschiff Gemini 7 ein Rendezvous-Manöver durchführen.

Am vorgesehenen Starttag dem 12. Dezember 1965 überstürzten sich jedoch die Ereignisse. Zwar liefen die Vorbereitungen normal, die Triebwerke hatten auch bereits gezündet, als ein schlecht befestigtes Kabel sich von der Rakete löste. Alle Systeme zeigten, dass die Rakete abgehoben habe, aber tatsächlich bewegte sie sich nicht. Folglich schaltete das System die Triebwerke ab. Wäre allerdings die Rakete gestartet gewesen, wäre sie durch das Abschalten der Systeme wieder zurückgefallen und der ganze Komplex mit den Astronauten an Bord wäre explodiert. Für derartige Fälle gab es jedoch einen Schleudersitz, den die Astronauten hätten betätigen sollen. Da aber Walter Schirra tatsächlich keine Bewegung der Rakete gespürt hatte, entschied er, nicht den Schleudersitz zu betätigen, was sich als richtig erwies.

Bei der Untersuchung wurde festgestellt, dass nicht nur einige Kabel recht lose saßen, sondern dass auch eine Staubschutzhaube in einem der Triebwerke vergessen wurde, was unabhängig vom abfallenden Kabel zu einem Abbruch des Starts geführt hätte. Der Start musste folglich wieder um einige Tage verschoben werden.
Wäre es an diesem Tag zu einem Abheben gekommen, hätte die Plastikhülle aller Voraussicht nach die Treibstoffzufuhr nach 2,2 Sekunden unterbrochen. Wahrscheinlich wäre die Titan-Rakete nach einigen Metern Flug auf die Startrampe zurückgefallen und explodiert.

Der dritte Startversuch am 15. Dezember 1965 gelang dann ohne Probleme. Erstmals hielten sich vier Menschen gleichzeitig im Weltraum auf.
Bereits nach der vierten Erdumkreisung glückte das Rendezvous-Manöver mit dem Raumschiff Gemini 7. Mehrere Triebwerkszündungen hatten die Entfernung zu Gemini 7 verringert und die Flugbahn angeglichen. Dieses Manöver war das erste gesteuerte Rendezvous in der Raumfahrt. Die sowjetischen Manöver beruhten seinerzeit ausschließlich auf exakten Bahnberechnungen. Vorsorglich erhielten beide Raumschiffbesatzungen die Anweisung, die weit ausladenden Antennen einzuklappen, um Berührungen während des Rendezvous zu vermeiden.
Beide Raumschiffe näherten sich bis auf 30 cm und die Kapseln ließen sich problemlos navigieren - ein weiterer Meilenstein in der bemannten Raumfahrt. Die Hauptarbeit des Rendezvous hatte Gemini 6A zu leisten. Das Raumschiff verfügte über 270 Kilogramm Treibstoff für das Manöver. Dagegen sollte Gemini 7 im Hinblick auf die vorgesehene lange Flugzeit sparsam mit dem Treibstoff umgehen.
Schließlich drehte sich Gemini 6A um seine Querachse, sodass beide Raumschiffe bei der Annäherung mit der Nase zueinander flogen. Beide Gemini-Besatzungen fotografierten sich während des Formationsfluges gegenseitig. Gemini 6A umkreiste das Schwesterschiff in der senkrechten Umlaufebene. Nach fünfstündigem Formationsflug zündete Walter Schirra an Bord von Gemini 6A die Triebwerke, so dass sich beide Raumfahrzeuge auf etwa 70 Kilometer voneinander entfernten.

Nach dem erfolgreichen Rendezvous-Manöver berichtete die Besatzung von Gemini 6A über ein Objekt, das sich von Nord nach Süd in niedriger Polarkreisbahn befände. Als die überraschte Flugkontrolle auf ihren Monitoren danach suchte, ertöne aus dem Raumschiff das Weihnachtslied "Jingle Bells", das von Walter Schirra auf einer Mundharmonika gespielt wurde. Thomas Stafford begleitete ihn dazu auf einer Glocke.

Dieses Rendezvous-Manöver war die einzige Aufgabe von Gemini 6A. Nachdem das erfüllt war, kehrten die Astronauten zur Erde zurück. Zum ersten Mal wurde die Wasserung live im Fernsehen übertragen. Die Bergung der Crew erfolgte durch den Flugzeugträger USS Wasp.