Для стыковки КК «Джемини» с ракетной ступенью «Аджена» был создан комплекс технических средств (часть которых располагалась на ракетной ступени), который включал в себя радиолокатор, стыковочное устройство, систему мишеней и индикаторов, командную радиолинию, в том числе между КК и ракетной ступенью, и т. д. Радиолокатор, установленный в носовой части КК, обеспечивал наведение на ракетную ступень «Аджена», измерял углы, дальность и относительную скорость при расстояниях от 460 км до нескольких метров от КК. Радиоканал локатора использовался также для передачи нескольких десятков команд с КК на ракетную ступень.
Для расчета корректирующих импульсов при выполнении маневров по сближению применялись несколько методов с использованием как наземных, так и автономных бортовых средств, в том числе бортовой цифровой вычислительной машины, в которую вводились данные по параметрам орбиты. Управление на участке причаливания космонавты проводили вручную с использованием индикаторов дальности и скорости.
Основная активная часть стыковочного устройства, с помощью которой производилось механическое соединение КК, размещалась на «Аджене». Носовая часть КК со штырем, служившим для выравнивания по крену, входила в приемный конус стыковочного устройства, подвешенный на гидравлических амортизаторах. После сцепки конус подтягивался электроприводом до упора — в неподвижный шпангоут, после чего допускалось совместное маневрирование состыкованных аппаратов, в том числе при включенном основном двигателе «Аджены». Штатная расстыковка выполнялась также механизмами активной части стыковочного устройства по радиокоманде с КК.
15 декабря 1965 г. КК «Джемини-6» и «Джемини-7» сблизились в космосе и осуществили групповой полет в течение 5,5 ч на расстоянии от 1 до 30 м. Первую стыковку в космосе с ракетной ступенью «Аджена» провели 16 марта 1966 г. космонавты Н. Армстронг и Д. Скотт на КК «Джемини-8», однако при этом возникла аварийная ситуация и космонавты совершили вынужденную посадку после 10,5 ч полета. Во время полета КК «Джемини-10» с состыкованной «Адженой» при помощи двигателя ракетной ступени был увеличен перигей орбиты (до 760 км) и оценивалась доза радиации, которую получили космонавты Дж. Янг и М. Коллинз при полете через радиационные пояса Земли (эта доза оказалась существенно меньше предсказываемой).
В ряде полетов КК «Джемини» проводились эксперименты с выходом космонавтов в открытый космос, при этом оценивались работоспособность и возможности человека в этих условиях. Перед выходом в космос кислород из кабины космонавтов полностью стравливался и открывалась крышка люка КК. Проведенные эксперименты продемонстрировали как возможности, так и трудности работы человека в безопорном пространстве, показали необходимость применять средства фиксации ног и других частей тела, а также проводить специальные наземные тренировки (например, в «бассейнах гидроневесомости»).
Форма капсулы КК «Джемини» была выбрана такой, чтобы при создании угла атаки, т. е. угла между направлением полета в атмосфере и продольной осью КК, могла создаваться подъемная сила (составляющая силы аэродинамического сопротивления, перпендикулярная направлению полета). Отношение подъемной силы к силе сопротивления принято называть аэродинамическим качеством. В отличие от самолетов это отношение для СА (капсул) невелико, 0,2–0,4, и поэтому СА относится к летательным аппаратам с малым аэродинамическим качеством.
Если центр масс капсулы (СА) находится на продольной оси, то угол атаки равен нулю, подъемной силы не возникает и спуск получается баллистическим (как в случае КК «Меркурий»). Если центр масс сместить, то возникает угол атаки и подъемная сила. В зависимости от того, куда смещен центр масс, определяется направление, в котором действует подъемная сила по отношению к траектории спуска. В принципе можно управлять положением СА по тангажу и курсу, однако при полете в атмосфере необходимые управляющие моменты оказываются неприемлемо большими: требуется компенсировать моменты, стремящиеся вернуть СА в устойчивое положение.
Направление действия подъемной силы можно изменять, если вращать СА относительно продольной оси (по крену). В таком случае управляющие моменты становятся существенно меньше. В этом и заключается основная идея управляемого спуска. Впервые системы управляемого спуска были разработаны для советского КК «Союз» и американского КК «Джемини».
Перед входом в атмосферу капсула КК «Джемини» ориентировалась по направлению полета теплозащитным экраном вперед при помощи двигателей реактивной системы управления капсулы. Эти же двигатели использовались для управления разворотом по крену и для стабилизации угловых колебаний капсулы по тангажу и курсу. За счет управления при спуске достигались два основных эффекта: максимальные перегрузки снижались до 3–4 единиц (по сравнению с 9 — 10 единицами при баллистическом спуске) и увеличивалась точность приземления (максимальное отклонение не превышало нескольких километров, тогда как при неуправляемом спуске оно достигало нескольких сот километров).