1965. június 3-án indult útnak a Gemini IV küldetés, amely négy napos repülésével az Egyesült Államok első hosszú időtartamú emberes űrmissziójának számított. A fedélzeten James McDivitt és Edward White foglalt helyet. A küldetés céljai között szerepelt az űrhajó rendszereinek vizsgálata, a többnapos tartózkodás hatásainak felmérése, az első amerikai űrséta végrehajtása, valamint egy másik objektummal való találkozás gyakorlása Föld körüli pályán.
A misszió azonban egy váratlan felismerést is hozott: a Gemini megpróbálta megközelíteni a Titan II rakéta levált második fokozatát. A földfelszínen ösztönösen azt gondolnánk, hogy ha utol akarunk érni valamit, egyszerűen gyorsabban kell mennünk, az űrben azonban egészen más szabályok érvényesek.
Amikor a Gemini hajtóműveivel gyorsított, pályája magasabbra emelkedett. Ez kedvezőnek tűnhet, de a magasabb pályán keringő objektumok valójában lassabban haladnak a Föld körül. A legénység ezért minden gyorsítás után egyre inkább lemaradt célpontjától. A NASA mérnökei és az űrhajósok ekkor tanulták meg a későbbi Apollo-küldetések egyik legfontosabb szabályát: egy előtted haladó objektumot úgy lehet utolérni, hogy először alacsonyabb pályára süllyedsz, ahol gyorsabban kering a hajó, majd a megfelelő pillanatban ismét magasabb pályára emelkedsz. Mire ezt teljesen megértették, a Gemini 4 már a manőverező üzemanyagának felét felhasználta, ezért a találkozási kísérletet megszakították.
A küldetés legismertebb eseménye azonban néhány órával az indítás után következett be. Edward White feladata az első amerikai űrséta végrehajtása volt. Már a felkészülés során problémák jelentkeztek, mert az ajtó zárszerkezete nehezen mozdult. Végül több mint négy órával a start után sikerült kinyitni a nyílást.
White egy 16 milliméteres kamerát rögzített az űrhajóhoz, majd kimászott a világűrbe. Kifelé menet elveszített egy hővédő kesztyűt, amely önálló „műholdként” kezdett keringeni a Föld körül. Az űrhajóst egy 7,6 méter hosszú köldökzsinór kötötte a Geminihez, amely oxigént, kommunikációs kapcsolatot és biztonsági rögzítést biztosított számára.
A kézi gázpisztolyszerű manőverező eszközzel eltávolodott az űrhajótól, és ezzel ő lett az első amerikai, aki szabadon dolgozott a világűrben. A látvány teljesen lenyűgözte. Az űrséta végül körülbelül húsz percig tartott, de White egyáltalán nem akart visszatérni. Amikor McDivitt utasította a visszatérésre, az űrhajós híres mondatával válaszolt:
„Ez életem legszomorúbb pillanata.”
A visszamászás sem ment könnyen. A nyílás zárja ismét makacskodott, miközben White öt percig küzdött vele. Közben a szkafander hűtőrendszere már nem tudta megfelelően elvezetni a hőt, a sisak belseje bepárásodott, pulzusa pedig elérte a percenkénti 180-at.
A Gemini IV végül sikeresen teljesítette négy napos küldetését, bár a leszálláskor jelentősen eltért a tervezett helytől. Az űrkapszula mintegy 724 kilométerrel keletebbre csobbant az Atlanti-óceánba, és körülbelül 80 kilométerrel tévesztette el a kijelölt célterületet.
A Gemini IV öröksége két fontos tanulságban él tovább. Egyrészt Edward White bebizonyította, hogy az amerikai űrhajósok képesek a világűrben dolgozni, másrészt a sikertelen találkozási kísérlet rávilágított arra, hogy az orbitális mechanika gyakran szembemegy a hétköznapi berögzült gyakorlattal. Az itt megszerzett tapasztalatok később közvetlenül hozzájárultak ahhoz, hogy az Apollo-program űrhajói a Hold körül sikeresen találkozhassanak és dokkolhassanak egymással.
