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  當1961年5月25日,約翰·肯尼迪宣佈阿波羅計劃後,NASA方面認為應該繼水星計劃後,繼續開發一種適用於阿波羅計劃的飛船。開發計劃原名為“水星標誌二期”,1962年1月3日重新命名為“雙子座計劃”。計劃的主要目標如下:

  “雙子座”(Gemini)這個名稱源於所用飛船能容納兩人,而Gemini這個詞在拉丁語中意思是雙胞胎。  雙子座飛船與水星飛船最大的不同是,水星飛船將除制動發動機外的所有裝置都放在飛船中,僅於宇航員一個艙門之隔。而雙子座飛船將動力,推進,生命維持系統都放在一個獨立的裝置模組中,類似後來阿波羅飛船的命令艙服務艙分離的設計。  水星飛船只能在軌道平面做調整,而雙子座飛船可以在空間六方向上動作,並能改變軌道。雙子座飛船被設計為可以與阿金納目標飛行器對接,而後者擁有更強大的變軌能力。  最初飛船被設計為使用滑翔傘在陸地著陸,由宇航員控制。為了實現這種設計,滑翔傘不只固定在飛船端部,還須固定在熱防護盾附近以維持平衡。但此項設計最終還是被降落傘海域著陸方式替換。  飛船在早期幾次短期飛行任務使用電池供電,後來的長期飛行任務換成了燃料電池,這是燃料電池在載人飛船的首次應用。  雙子座飛船是第一個引入機載計算機的美國載人飛船,雙子座引導計算機用來協助管理,控制飛船機動。飛船還借用了某些航空上的設計如彈射座椅,飛行雷達,高度儀。彈射座椅最早出現在蘇聯的東方號飛船中。

  雙子座飛船由加拿大設計師吉姆·張伯倫設計,張伯倫原是加拿大阿夫羅公司的阿夫羅箭戰鬥攔截機專案的首席空氣動力學家,該專案取消後,他隨著25名高階工程師加入NASA,隨後成為美國太空工作組的工程分部的領頭人,負責雙子座。而飛船的主承包商依然是參與水星計劃的麥克唐納飛行器公司。  此外,宇航員維吉爾·格里森也參與了飛船的研發過程。在他死後才出版的著作《雙子座!》一書中解釋道,是水星計劃的終結,使他將全部精力放在雙子座計劃中。  整個計劃由位於休斯敦的載人航天中心管理,由NASA總部的載人航天飛行局領導。副局長喬治·米勒擔任計劃的代理主任,威廉·施耐德擔任雙子座6號以後的任務主管。  麥克唐納的工程師岡瑟·溫特負責水星計劃的雙子座計劃的飛船發射前準備。他的團隊負責飛船發射前發射塔的最後處理工作。而他親自為發射前的飛船關上艙門。

  下列宇航員參與了全部10次載人飛行:

  宇航員局局長迪克·斯雷頓在整個計劃中負責雙子座飛船乘員的挑選工作。雙子座飛船設有主宇航員和後備宇航員,後備人員在三次飛行後轉正。斯雷頓執意讓水星計劃7人中現役的4人(謝潑德,格里森,庫勃和施艾拉,格倫於1964年1月退役,卡彭特因極光7號再入大氣層時的失誤操作而備受NASA指責,當時請假參加海軍的SEALAB計劃,並且留地待命直到1964年7月,斯雷頓自己也因為心臟原因繼續留地待命)作為雙子座計劃各次飛行的指揮官。  1963年下半年,斯雷頓挑選了謝潑得和斯塔福德參加雙子座3號任務,麥克迪維特和懷特參加雙子座4號任務,施艾拉和楊參加雙子座5號任務,此次任務要和阿金納目標飛行器對接。3號的後備宇航員是格里森和波爾曼,他們也將參加雙子座6號任務。康拉德和洛威爾成為4號的後備宇航員。  由於阿金納目標飛行器的製造延期,施艾拉和楊的任務被推到雙子座6號,而他們也成為謝潑得組的後備。格里森組的長時間飛行任務成為雙子座5號。  第二次人員重排是因為謝潑得得了美尼爾氏症,這是一種內耳疾病。格里森替代謝潑得成為雙子座3號的指揮官。斯雷頓認為楊的性格和格里森很配,也讓他代替斯塔福德執行3號任務。最後,斯雷頓讓庫勃做5號的指揮官,同樣出於性格原因,他將康拉德從4號後備宇航員提到5號任務,並指派阿母斯特朗和埃里奧特·希為5號後備。  第三次人員調整是斯雷頓發現希的身體素質標準,他讓希擔任9號的指揮官,讓查爾斯·巴塞特做9號的乘員。安排斯科特做8號的乘員。  第四次調整是因為希和巴塞特因乘坐的訓練機墜機而身亡。這架飛機剛好撞進了麥克唐納生產雙子座9號的廠房。後備宇航員斯塔福德和康拉德成為重設計的雙子座9A的主宇航員。洛威爾和奧爾德林成為9A的後備。  雖然格里森, 懷特, 和羅傑·查菲在阿波羅1號的火災中死去,斯雷頓的最終宇航員名單已經包含後來的首批7位阿波羅宇航員。有趣的是,這批參加阿波羅計劃的宇航員中許多人所駕駛的飛船編號剛好比它們的雙子座飛船編號大一號: 而這些人例外:

  包括2次無人發射,總共有12艘雙子座飛船通過大力神二號火箭發射升空。
雙子座計劃是美國的第二個載人航天計劃,計劃實施於水星計劃和阿波羅計劃之間,在1965年至1966年間共有10次載人飛行。計劃的目標是為更先進的太空旅行積累技術,尤其是其後的阿波羅登月計劃,雙子座計劃中任務時長足夠前往月球並返回。任務還包括太空行走和軌道機動。所有的載人發射都使用大力神二號GLV作為運載火箭。整個計劃耗資54億美元。