1965 január 18-án ismét új korszak kezdődött az amerikai űrkutatásban. Bár ezen a napon egyetlen űrhajós sem ült a Gemini II fedélzetén, a küldetés mégis az egyik legfontosabb próbája volt annak az űrhajónak, amely később lehetővé tette az Apollo-program holdraszállásait. A Gemini-programot gyakran az Apollo előszobájaként emlegetik, de valójában ennél sokkal többről volt szó. Itt kellett először bizonyítani, hogy egy kétfős űrhajó biztonságosan képes eljutni az űrbe, visszatérni a Földre, valamint hosszabb időn keresztül működni odafenn.
A Gemini II küldetése ennek a rendszernek az első valóban átfogó repülési próbája volt.
A rakéta a floridai Cape Kennedy 19-es indítókomplexumáról emelkedett a magasba 1965. január 18-án helyi idő szerint 9 óra 3 perc 59 másodperckor. A Titan II hordozórakéta hibátlanul teljesített, és az űrhajót 171,2 kilométeres magasságig gyorsította. Ez már jóval a világűr határának tekintett 100 kilométer fölött található, így a kapszula valódi űrrepülést hajtott végre, még akkor is, ha nem állt pályára.
Ez tudatos döntés volt. A mérnökök ezen a küldetésen nem a hosszú űrrepülést akarták kipróbálni, hanem a felszállás, a visszatérés és a hőpajzs-rendszer legkritikusabb elemeit.
A Gemini-program egyik legnagyobb újdonsága az volt, hogy az űrhajó fedélzeti rendszerei sokkal összetettebbek voltak, mint az előző Mercury-programban. A Gemini már két űrhajós számára készült, rendelkezett saját manőverező hajtóművekkel, később képes lett más űrhajók megközelítésére és összekapcsolására, valamint hosszabb küldetések végrehajtására is. Mindez sokkal fejlettebb automatikus vezérlést igényelt.
A Gemini II repülése során a teljes küldetést egy fedélzeti automatikus vezérlőrendszer irányította. Ez lépésről lépésre hajtotta végre az előre programozott műveleteket, ugyanúgy, ahogy azt később az emberes repüléseken is tette volna.
A felszállás után 6 perc 54 másodperccel következett a repülés egyik legfontosabb mozzanata: beindultak a fékezőrakéták, amelyek lelassították az űrhajót, majd a kapszula átfordult a megfelelő visszatérési helyzetbe. Ez a manőver különösen fontos volt, mert a hőpajzs csak egyetlen meghatározott irányból képes biztonságosan elviselni a légkörbe történő belépés során keletkező hatalmas hőterhelést.
Ha az űrhajó rossz helyzetben érkezett volna a légkörbe, a több ezer Celsius-fokos plazma néhány másodperc alatt végzetes károkat okozhatott volna.
A felszállás után 18 perc 16 másodperccel a Gemini II belépett a Föld légkörébe. A visszatérés során a kapszula hővédő pajzsa pontosan úgy működött, ahogyan azt a mérnökök tervezték. A légkörrel való súrlódás során kialakuló rendkívül magas hőmérséklet ellenére az űrhajó szerkezete sértetlen maradt.
A küldetés végén az ejtőernyőrendszer is hibátlanul nyílt ki. A Gemini II az Atlanti-óceánba érkezett, mintegy 3419 kilométerre délkeletre az indítás helyszínétől. A becsapódási pont mindössze 26 kilométerrel tért el a tervezettől, ami az 1960-as évek közepén rendkívül pontos eredménynek számított.
Nem sokkal később az USS Lake Champlain repülőgép-hordozó emelte ki a kapszulát a vízből. A hajó körülbelül 84 kilométerre tartózkodott a leszállási ponttól, ezért a mentés gyorsan és problémamentesen zajlott.
A mérnökök számára azonban nem csupán az számított, hogy az űrhajó épségben visszatért. A kapszulát centiméterről centiméterre átvizsgálták. Ellenőrizték a hőpazs és a szerkezeti elemek állapotát, a fékezőrakéták működését és a belső rendszereket is.
Az eredmények rendkívül biztatóak voltak. A hőpajzs pontosan úgy viselkedett, ahogyan azt a számítások előre jelezték. A fékezőrakéták megfelelő időben működésbe léptek, az ejtőernyők hibátlanul teljesítettek, és maga a kapszula is kiváló állapotban maradt.
Egyetlen jelentősebb problémát találtak. Az űrhajó hűtőrendszerében a hőmérséklet a vártnál magasabbra emelkedett. Ez ugyan nem veszélyeztette ezt a rövid küldetést, de fontos tapasztalatot jelentett a későbbi emberes repülések előtt. A mérnökök módosításokat hajtottak végre a rendszer működésén, hogy a hosszabb küldetések során is megfelelő hőmérsékleten maradjanak az elektronikus berendezések.
Volt egy másik, kisebb csalódást okozó hiba is. A Gemini egyik legfontosabb újítása az üzemanyagcellák alkalmazása volt. Ezek elektromos energiát állítottak elő hidrogén és oxigén felhasználásával, és sokkal hosszabb működési időt biztosítottak volna, mint a korábbi akkumulátorok. Az indítás előtt azonban az üzemanyagcella-rendszer meghibásodott, ezért a repülés alatt nem működtették. Maga a küldetés ettől még teljes sikerrel zárult, de az energiaellátó rendszer repülési tesztjét későbbre kellett halasztani.
