Mientras el Proyecto Mercury tuvo por objeto poner en órbita una cápsula tripulada, el posterior Proyecto Gemini se desarrolló como un ensayo general para el futuro Proyecto Apolo, que tenía como misión llevar al hombre a la Luna.

Las cápsulas Gemini eran biplaza, y fueron puestas en órbita por un cohete lanzador Titán II. En total fueron doce las Gemini lanzadas entre 1964 y 1966, pero solamente las diez últimas fueron tripuladas. La primera de ellas, la Gemini 3, llevó al espacio, en marzo de 1965, a los astronautas norteamericanos Virgil I. Grisson y John W. Young.

La Gemini 4 pasó a la historia de la astronáutica porque uno de sus tripulantes, Edward H. White, realizó el primer paseo espacial norteamericano, tres meses después de que lo hiciera el cosmonauta soviético Alexei Leonov. Las Gemini 6 y Gemini 7 marcaron otro hito, en diciembre de ese mismo año, al realizar la primera cita espacial norteamericana, llegando a acercarse ambas cápsulas hasta prácticamente entrar en contacto. Asimismo, la Gemini 7 batió un récord de permanencia en el espacio al estar en órbita casi catorce días. La Gemini 8, por último, realizó con éxito el primer acoplamiento espacial, concretamente con la última fase de un cohete Agena que previamente había sido puesta en órbita. Las Gemini restantes realizaron a su vez distintos ensayos de acoplamientos y maniobras destinados a comprobar la viabilidad de los mismos en las futuras cápsulas Apolo. El vuelo de la Gemini 12, realizado entre el 11 y el 15 de noviembre de 1966 llevando a bordo a los astronautas James A. Lowell y Buzz Aldrin, marcó el final del proyecto.

Es poco conocido el hecho de que el Proyecto Gemini tuvo varias ramificaciones, algunas de ellas secretas y de carácter militar, ninguna de las cuales llegó a pasar de la fase de proyecto o, como mucho, de los ensayos de prototipos. Con anterioridad al primer lanzamiento de las cápsulas Gemini, a principios de la década de los sesenta, se diseñó el proyecto Blue Gemini, que tenía como objeto la construcción de una estación espacial. A finales de esta misma década, una vez concluido el Proyecto Gemini y en marcha ya el Proyecto Apolo, se retomó una idea similar con las Gemini B, una modificación ideada para dar servicio a la fallida estación espacial MOL. Por último, también a finales de los años sesenta se barajó la construcción de una cápsula espacial, denominada Big Gemini o Big G., ideada para dar servicio a las futuras estaciones espaciales. Habría tenido de una capacidad de entre 9 y 12 tripulantes y de hasta dos toneladas y media de carga, lo que justifica su nombre. Este proyecto también acabaría siendo descartado, sustituyéndose años más tarde por el programa de los transbordadores espaciales.