การปล่อยยานออกจากฐานเป็นไปด้วยดี มีเพียงปัญหาเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับการเฉทางนอนที่เกินกำหนดในช่วง 13 วินาทีแรกซึ่งต่อมาแก้ได้ในเที่ยวบินหลังๆ วงโคจรช่วงแรกเป็นวงรีขนาดกว้าง 163 กิโลเมตร ยาว 349 กิโลเมตร

กิจกรรมแรกได้แก่การปล่อย "ฝักนัดพบ" ณ เวลา 2 ชั่วโมง 13 นาทีหลังออกจากฐานปล่อย เรดาร์ได้ตรวจสอบพบว่าฝักนัดพบเคลื่อนตัวสัมพันธ์กับยานในอัตรา 2 เมตรต่อวินาที่และในระหว่างที่ยานขาดสัญญานกับศูนย์ปฏิบัติการภาคพื้นดิน นักบินพบว่าแรงดันในเซลล์เชื้อเพลิงลดลงมากแต่ยังอยู่ในเกณฑ์ต่ำสุด คูเปอร์จึงตัดสินใจปิดด้วยเกรงว่าหากพลังงานไฟฟ้าไม่พออาจต้องยกเลิกปฏิบัติการบินก่อนกำหนด แต่จากการตรวจสอบพบว่าพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงเพียงพอต่อการอยู่ในวงโคจรต่อไป ไม่ต้องล้มเลิก

บัซ อัลดริล นักบินอวกาศที่ปฏิบัติหน้าที่ภาคพื้นดินผู้มีปริญญาเอกด้านกลไกการโคจรได้เสนอให้ใช้วิธีนัดพบกับ "จุดในอวกาศ" โดยไม่ต้องใช้ฝักนัดพบ

นักบินรู้สึกหนาวแม้จะปิดระบบความเย็นในชุดอวกาศแล้วก็ตาม นอกจากนี้ยังรู้สึกว่าดวงดาวต่างๆ นอกหน้าต่างเคลื่อนไหวทำให้เกิดความรู้สึกหลงเลยแก้ด้วยวิธีปิดหน้าต่าง การแก้ปัญหาหลับยากจากการผลัดเวรกันนอนที่เคยปฏิบัติในยานเจมินี 4 โดยให้นอนได้พร้อมกันก็ยังพบว่าหลับยากอยู่

การนัดพบที่จุดจำลองเกิดขึ้นในวันที่ 3 ซึ่งเป็นผลสำเร็จดียิ่งทั้งที่เป็นการทดลองครั้งแรก มีการทดลองบรรจบกับจุดนัดในท่าต่างๆ ทุกท่าด้วย "ระบบขับเคลื่อนและคุมระดับวงโคจร" (OAMS)

ปัญหาที่ภาคพื้นดินพบคือน้ำที่เป็น "ของเสีย" จากเซลล์เชื้อเพลิงมีมากกว่าที่คาดถึงร้อยละ 20 ปัญหาก็คือน้ำมีความเป็นกรดพอควรและต้องเก็บในถังน้ำดื่มที่มีแยกกันโดยถุง แต่จากการทดสอบต่อมาพบว่าถุงมีความจุพอรับน้ำได้ตลอดเที่ยวบิน ในวันที่ 5 แต่ก็มีปัญหาใหญ่เกิดขึ้นอีกโดยหัวจรวดเล็กปรับทิศทางไม่ทำงานไปหนึ่งหัว เป็นเหตุให้ต้องยกเลิกการทดลองบางรายการ

รายการทดลองที่กำหนดมี 17 รายการ ซึ่งได้ทดลองแล้วเสร็จทั้งหมดยกเว้นการถ่ายรูป "ฝักนัดพบ" และถ่ายภาพความละเอียดสูงพื้นโลกของกระทรวงกลาโหม รายการอื่นๆ ที่ได้ทดลองไปได้แก่การวัดความจ้าของพื้นโลกกับพื้นหลังอวกาศเพื่อการแลเห็นของนักบินว่าจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ในระหว่างปฏิบัติการ การทดลองอื่นๆ ได้แก่การวัดเกี่ยวกับความร้อน การเต้นของหัวใจ การกะระยะทางราบ การถ่ายภาพดวงดาวในอวกาศ การอ่านความสูงของเมฆจากยานอวกาศ

การจุดจรวดลดความเร็วเริ่ม ณ เวลา 190 ชั่วโมง 27 นาที 43 วินาทีเหนือฮาวาย แม้จะมีการควบคุมยานระหว่างการเข้าสู่บรรยากาศด้วยการหันเหยานแล้วก็ตาม ยังปรากฏว่ายานตกถึงพื้นน้ำสั้นไปถึง 130 กิโลเมตรจากจุดนัดพบ การการตรวจสอบพบว่าคอมพิวเตอร์ทำงานได้สมบูรณ์แบบ ความผิดพลาดที่การเขียนโปรแกรมเนื่องจากการป้อนอัตราการหมุนของโลกไว้ที่ 360 องศาต่อรอบแทน 360.38 องศา

ปฏิบัติการยานเจมินี 5 สนับสนุนโดยกระทรวงกลาโหม ใช้บุคลากร 10,265 คน เครื่องบิน 114 ลำ เรือ 19 ลำ