Der Start erfolgte von Cape Canaveral. Das Gemini-Raumschiff wasserte 1.130 km südöstlich von Cape Canaveral im Atlantik.

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 einem 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.

Dieser Flug war die letzte Gemini-Mission. Die Hauptaufgaben des Fluges unterschieden sich nicht wesentlich von denen der Mission Gemini 11. Erneut gehörten Rendezvous-Manöver und Kopplungen mit einem Zielsatelliten zu den höchsten Prioritäten. Nach den bisher eher durchwachsenen Erfahrungen mit Außenbordmanövern standen für Gemini 12 gleich drei EVAs auf dem Programm. Man hatte aber im Vorfeld erstmalig Unterwasser-Training für die EVA-Aktivitäten eingeführt und ansonsten bessere Haltegriffe an der Gemini-Kapsel angebracht.

Der Zielsatellit GATV-12 (Gemini Agena Target Vehicle) war eineinhalb Stunden, also einen Erdumlauf, vor Gemini 12 mit einer Atlas-Agena-Rakete gestartet worden. Allerdings hatte sich der Start wegen eines System-Ausfalls im Reserve-Autopiloten der Titan-Rakete um einen Tag verzögert.

Trotz Problemen mit dem Rendezvous-Radar - die Agena lieferte nur schwache Signale, die vom Gemini-Radar nicht verarbeitet werden konnten - gelang die Ankopplung mit dem unbemannten Agena-Zielsatelliten GATV-12 ohne Probleme (01:00:03 UTC). Stattdessen peilte Buzz Aldrin die Agena mit einem Sextanten an. Er maß den Winkel zwischen Gemini und dem aktuellen Horizontverlauf sowie Agena. Die gewonnenen Daten konnte James Lovell für Kurskorrekturen verwenden. Zum vierten Mal während des Gemini-Programms gelang eine Ankopplung an eine Agena. Bei der Abkopplung löste sich zunächst eine der drei Halteklauen des Kopplungsmechanismus nicht. Erst mach mehreren Versuchen gelang James Lovell die Abkopplung. Eine zweite An- und Abkopplung - diesmal durch Buzz Aldrin - gelang problemlos. Das anschließend geplante Aufsteigen in einen höheren Orbit misslang, weil das Agena-Triebwerk nicht exakt funktionierte. Der NASA erschien das Risiko zu groß, weil die Agena das Gemini-Raumschiff mit einer zweiten Zündung auf die bisherige Kreisbahn hätte zurückführen sollen. In der hochelliptischen Umlaufbahn sollte das Gespann 22 Stunden bleiben und dort sollte Buzz Aldrin auch die erste EVA - eine SEVA - unternehmen.

Quasi als Entschädigung durften die beiden Astronauten nun doch eine totale Sonnenfinsternis über Südamerika beobachten und fotografieren. Dies war zuvor wegen des dichten Flugprogramms gestrichen worden. Für die Beobachtung des seltenen Naturschauspiels waren kurzfristig einzuplanende Bahnänderungen notwendig geworden.

Buzz Aldrin absolvierte während dieser Mission drei EVAs, was einen neuen Rekord darstellte. Der erste Außenbordeinsatz erfolgte am 12. November 1966 (2h 18m). Es war eine Stand-up EVA, d.h., nur mit seinem Oberkörper ging er aus der Gemini-Kapsel heraus. Dabei fotografierte er Sternenfelder, installierte eine Filmkamera, brachte die Handgriffe an die Kapsel an und holte einen Mikrometeoritendetektor in die Kapsel herein. Dabei ging er sehr ruhig vor, ohne sich anzustrengen, sodass es auch keine Sichtbehinderungen durch einen von innen beschlagenen Helm gab. Eigentlich sollte Buzz Aldrin während der SEVA auch die totale Sonnenfinsternis fotografieren. Da James Lovell das schwere Gespann Gemini-Agena nicht hinreichend genau ausrichten konnte, gelangen nur Aufnahmen vom partiellen Teil der Sonnenfinsternis.

Das zweite Außenbordmanöver fand am 13. November 1966 (2h 09m) statt. Diesmal war er durch eine Sicherheitsleine abgesichert und verband die Agena mittels eines Seils mit der Gemini-Kapsel und testete noch einige Handgriffe. Danach begab sich Buzz Aldrin zur Gerätesektion der Gemini. Hier schlüpfte er in eine Fußhalterung und führte nur mit einem Seil und der "Nabelschnur" gesichert Bewegungstests durch. Schließlich klappte er eine Montageplatte aus und öffnete eine Art "Werkzeugkoffer". Hier zog er einige Bolzen fest und stellte Montageverbindungen her. Am Kopplungsadapter der Agena war ein zweiter "Werkzeugkoffer" befestigt, der elektrische Kabel enthielt. Buzz Aldrin stellte elektrische Verbindungen her und löste sie auch wieder. Auf dem Rückweg zur Gemini putzte er noch das Sichtfenster von James Lovell mit einem speziellen Reinigungstuch.

Nach diesem äußerst erfolgreichen Außenbordeinsatz sollte erneut versucht werden, die mit einem Seil verbundenen Raumflugkörper um den gemeinsamen Masseschwerpunkt rotieren zu lassen. Trotz einiger Stabilisierungsprobleme konnten wertvolle Daten eines solchen kombinierten Systems gewonnen werden. Nachdem die Seilverbindung gekappt worden war, entfernte sich Gemini 12 durch eine Triebwerkszündung wieder von der Agena.

Die Gemini-Kapsel hatte während der Kopplungsphase erstmals Schwierigkeiten mit den Brennstoffzellen. Diese Zellen produzieren in umgekehrter Elektrolyse aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom. Dabei entsteht als Abfallprodukt Wasser. Die Techniker vermuteten, dass sich in den Brennstoffzellen zu viel Wasser angesammelt haben könnte, das nicht einfach in den Weltraum abgelassen werden konnte, sondern in Behältern aufgefangen werden musste. Immer wenn die Astronauten Trinkwasser entnahmen, stabilisierten sich die Brennstoffzellen wieder.

Die letzte EVA war dann am 14. November 1966 (1h 11m) wieder eine Stand-up EVA, in der Sternenformationen fotografiert und einiges an überflüssigem Material aus der Gemini-Kapsel entsorgt wurden.

In der verbleibenden Flugzeit widmeten sich die Astronauten verstärkt den wissenschaftlichen Experimenten. Dazu gehörte auch das französische Natrium-Wolken-Experiment. Zwei in der Sahara gestarteten Raketen brachten Natrium in Höhen zwischen 55 und 150 km. Dort sollten sich gelblich leuchtende Wolken bilden. Allerdings konnten die beiden Astronauten keine Wolken ausmachen.

Die Rückkehr wurde wieder vollkommen automatisch gesteuert und Gemini 12 landete nur 5,5 km vom Bergungsschiff, dem Flugzeugträger USS Wasp.