Gemini 8 startete von Cape Canaveral. Die Wasserung erfolgte 800 km südöstlich von Okinawa im Pazifik.

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 einen 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.

Diese Mission hatte zwei Hauptschwerpunkte. Zunächst sollte eine Ankopplung an den unbemannten Zielflugkörper GATV 8 (Agena) erfolgen und David Scott sollte eine EVA von etwa 2 Stunden durchführen. Die Ankopplung war bereits für Gemini 6 geplant. Damals im Oktober 1965 schlug jedoch der Satellitenstart fehl, weshalb dieses Docking auf Gemini 8 verschoben wurde. Die Mission Gemini 8 war wie alle weiteren Gemini-Flüge auf drei Tage ausgelegt. So konnten auch die Schwierigkeiten mit den offenbar noch nicht ausgereiften Brennstoffzellen umgangen werden.
Für die EVA waren zahlreiche neue Geräte entwickelt worden, die dem Astronauten die Arbeit außerhalb des Raumschiffs erleichtern sollten. So war das Lebenserhaltungssystem verbessert worden. Hinzu kam eine autonome Sauerstoffreserve von etwa 30 Minuten. Um von einer "Nabelschnur", die sich leicht verheddern kann, unabhängig zu sein, war ein vom Raumschiff unabhängiges Versorgungssystem entwickelt worden. Der EVA-Astronaut sollte einen kastenförmigen Rucksack mit einer Größe von 66 x 53,3 x 43,2 cm tragen. Der Rucksack war in der Gerätesektion angebracht und sollte dort von David Scott abgeholt werden. Verzichtet wurde auf den Einsatz einer Freiflugeinheit, da die Entwicklung noch nicht abgeschlossen war.

Am 16. März 1966 wurde der Zielsatellit mit einer Atlas-Agena-Rakete erfolgreich gestartet. Eine Erdumkreisung (ca. 100 Minuten) später folgte Gemini 8 mit den Astronauten Neil Armstrong und David Scott. Die Astronauten konnten die Agena aus 330 km Distanz per Radar und aus 140 km Distanz visuell orten, nachdem sie zunächst ihr Apogäum, dann ihr Perigäum und zuletzt ihre Bahnebene an die Umlaufbahn der Agena angepasst hatten. Nach etwa sechs Stunden Flug hatte das Raumschiff den Satelliten eingeholt, kurz darauf und nach einer Inspektion dockte Gemini 8 an (23:14:18 UTC). Als die Gemini-Nase den Zielsatelliten erreicht hatte, löste ein elektrischer Kontakt aus, der einen Elektromotor startete und die drei Halteklauen ausfuhr. Dies war die erste Kopplung zweier Raumfahrzeuge in der Erdumlaufbahn.

Die Triebwerke der Agena konnten dabei sowohl von der Bodenstation als auch vom Gemini-Raumschiff aus fernbedient werden, und es war geplant, die mechanische Belastung des Gespanns zu testen. Nach einer Änderung der Lage konnte jedoch die Gemini-Agena-Kombination nicht mehr stabilisiert werden, sie begann immer schneller zu rotieren. Die Astronauten vermuteten das Problem bei der Agena und lösten sich vom Satelliten (23:56:13 UTC), nachdem sie dessen Kontrolle wieder an die Bodenstation übergeben hatten. Ohne die Masse der Agena wurden die Bewegungen jedoch nur noch stärker und erreichten fast die Belastbarkeitsgrenze von Raumschiff und Astronauten - bei einer immer schneller werdenden Rotation war eine Bewusstlosigkeit der Besatzung nicht ausgeschlossen.

Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von einer Umdrehung pro Sekunde versuchten Neil Armstrong und David Scott das Raumschiff wieder zu stabilisieren, was jedoch erst gelang, nachdem sie statt des Orbitallage-Regelungssystems das Wiedereintritt-Lageregelungssystem verwendeten. Kurz darauf konnte das Problem identifiziert werden: Eine Düse des Orbitallageregelungssystems hatte sich verklemmt und fortwährend gefeuert. Unglücklicherweise traten die Schlingerprobleme auf, als sich das Raumschiff im Funkschatten befand. Möglicherweise wäre die Mission wenigstens teilweise zu retten gewesen, wenn die Bodenkontrolle das Problem mit dem feuernden Triebwerk früher erkannt hätte.

Durch diese Manöver hatte Gemini 8 nun so viel Treibstoff verbraucht, dass an eine Fortsetzung der Mission nicht zu denken war. Bei der nächsten Gelegenheit wurde die Rückkehr zur Erde eingeleitet. Die geplante EVA von David Scott musste gestrichen werden. Dennoch, Neil Armstrongs kühles und reaktionsschnelles Handeln bewahrte die NASA vor einem Desaster.

Statt wie geplant im Atlantik zu wassern (dort war es Nacht), ging die Kapsel in den Pazifik nieder. Glücklicherweise wurde sie schnell gefunden und von Froschmännern gesichert. Aber erst 3 Stunden nach der Wasserung wurden die Astronauten vom Zerstörer USS Leonard F. Mason aufgenommen.